JP5330841B2

JP5330841B2 - Ｅｇｒ制御装置

Info

Publication number: JP5330841B2
Application number: JP2009015771A
Authority: JP
Inventors: 丈泰安達; 純高橋; 宏紀粟田; 大樹田中; 善隆柴田; 歩小椋
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd; Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd; Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 2009-01-27
Filing date: 2009-01-27
Publication date: 2013-10-30
Anticipated expiration: 2029-01-27
Also published as: JP2010174661A

Description

本発明は、エンジンのＥＧＲ（排ガス還流）を制御するＥＧＲ制御装置に関するものである。

従来、エンジンの排ガスをエンジンの吸気側に還流させるＥＧＲ装置は、排ガス中の窒素酸化物を低減させるために用いられてきた。そして、変化するエンジンの負荷や変化するエンジンの回転速度に応じて、排ガスの還流量が最適となるようにＥＧＲ装置を制御する装置が考案されている。ＥＧＲ装置と、ＥＧＲ装置を制御する方法については、以下のように文献に開示されている。特許文献１（特開２００４−１１６４２７号公報）には、エンジン駆動式空気調和機に適用されるＥＧＲ装置が開示されている。このＥＧＲ装置にはステッピングモータにより駆動されるＥＧＲ弁が組み込まれ、制御装置により開度が調整されている。制御装置には、エンジン回転速度情報、スロットルバルブの開度情報等が入力され、制御装置はこれらの情報に基づいた制御指令をステッピングモータに出力する。

特許文献２（特開平６−２８０６８４号公報）の記載によれば、２系統の排気還流システムが自動車エンジンに接続され、そのうちの１系統に制御弁が設けられている。制御弁は、スロットル弁とリンク機構によって連動し、排ガスの還流量を制御している。

特許文献３（特公昭６１−４８６２７号公報）には、自動車のエンジンに適用され、スロットル弁の開度に応じてＥＧＲ弁を開閉させるＥＧＲ装置が開示されている。このＥＧＲ装置では、エンジン温度、車速、スロットル弁の開度に基づいて複数のスイッチを開閉させることによってＥＧＲ弁を開閉させ、排ガス還流が制御されている。

特開２００４−１１６４２７号公報特開平６−２８０６８４号公報特公昭６１−４８６２７号公報

一方、エンジンに与えられる負荷が一定であり、エンジンの回転速度を一定としてエンジンを運転する場合は、エンジンの燃焼状態を、目標とする状態、例えば排ガス中の窒素酸化物が目標値以下となるような状態とするために適した排ガスの還流量はほぼ一定である。この場合には、還流量を変動させずに、エンジンの排ガス還流量を一定値に固定しておくことができる。しかし、燃焼状態を、目標とする状態、例えば排ガス中の窒素酸化物が目標値以下となるような状態とするために適した排ガスの還流量は、同一設計であっても加工誤差、組み付け誤差などの原因によって、個々のエンジンによって異なり、点火プラグの摩耗などの経年的変化や、環境温度の変化、供給燃料の成分の変動等によって同じエンジンでも異なってくる。エンジンの排ガスの還流量を適切に設定しなければ、エンジンの燃焼状態が目標とする状態から離れ、例えば排ガス中の窒素酸化物の濃度が目標値より大きくなるおそれがある。そのため、排ガスの還流量は、燃焼状態が目標とする状態になるような値を個々のエンジンごとに設定してエンジンを調整する必要があるが、それではエンジンの生産性が悪く、コストアップにつながる。またエンジンの運転開始後にも、環境変化や経年的変化に応じて排ガスの還流量を再調整することが必要となる場合があるが、それではエンジンの管理が煩雑である。

そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、エンジンの回転速度が一定に制御され、エンジンの負荷が一定である場合のエンジンの排ガス還流量を、個々のエンジンに応じて適切かつ簡便に決定することができるＥＧＲ制御装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るＥＧＲ制御装置は、エンジンの回転速度を調節する回転速度操作手段に、前記回転速度が一定の目標値となるように操作量が与えられた結果である前記回転速度操作手段の状態を示す状態情報を取得する状態情報取得部と、前記状態情報取得部が取得した前記状態情報を記憶する状態情報記憶部と、前記エンジンの負荷が一定である場合に、前記状態情報記憶部から取得した前記状態情報に基づいて前記エンジンの排気側から前記エンジンの吸気側へ環流させる前記エンジンの排ガスの還流量を決定する状態情報処理部と、決定された前記還流量で前記排ガスを還流させる状態情報処理結果出力部と、前記エンジンの燃焼状態が、目標とする状態であるときの状態情報範囲を記憶する状態情報範囲記憶部と、を含み、前記回転速度操作手段は、前記エンジンへの燃料の供給量を調節する燃料供給調節弁であり、前記状態情報は、前記燃料供給調節弁の開度であり、前記状態情報範囲は、前記燃料供給調節弁の開度範囲であり、前記状態情報処理部は、前記燃料供給調節弁の開度と前記燃料供給調節弁の開度範囲とを比較し、前記開度が前記開度範囲の下限値より小さい場合に、前記還流量を変更前より大きな値に変更し、前記開度が、前記開度範囲の上限値より大きい場合に、前記還流量を変更前より小さな値に変更することにより、前記開度が前記開度範囲内となるように前記還流量を変更することを特徴とする。これにより、エンジンの回転速度が一定に制御され、エンジンの負荷が一定である場合のエンジンの排ガス還流量を、個々のエンジンに応じて適切かつ簡便に決定することができる。また、エンジンの燃焼状態が目標とする状態となるようにエンジンの排ガス還流量を決定することができる。なお、負荷とは、エンジンが発生させた力学的エネルギー・電気的エネルギー（力学的エネルギーが発電機等で電気的エネルギーに変換された場合）が消費されるとき、その消費される量を表す。

また本発明に係るＥＧＲ制御装置は、前記エンジンの負荷が、消費電力によって定まることを特徴とする。これにより、消費電力によって定まるエンジンの負荷が一定の場合に、エンジンの燃焼状態に応じて適切に排ガスの還流量が決定される。

本発明は、エンジンの回転速度が一定に制御され、エンジンの負荷が一定である場合のエンジンの排ガス還流量を、個々のエンジンに応じて適切かつ簡便に決定することができる。

図１は、ＥＧＲ制御装置が適用されるエンジンの一例の、回転速度制御の流れを説明する制御ブロック図である。図２は、ＥＧＲ制御装置の一例と、これが適用されるガスエンジンの一例の概略図である。図３は、ＥＧＲ制御装置として機能するＥＣＵの一例をさらに詳しく説明するための模式図である。図４は、ＥＧＲ制御装置によるＥＧＲ制御の流れの一例の一部を示すフローチャートである。図５は、ＥＧＲ制御装置によるＥＧＲ制御の流れの一例を示すフローチャートである。図６は、エンジン発電ユニットの一例の概略図である。

以下、本発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下の説明により本発明が限定されるものではない。また、以下の説明における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。

［ＥＧＲ制御装置］
本実施形態に係るＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation：排ガス環流）制御装置は、スロットル弁（回転速度操作手段、燃料供給調節弁）に、前記回転速度が一定の目標値となるように操作量が与えられた結果であるスロットル弁の状態を示す、スロットル弁の開度（状態情報、燃料供給調節弁の開度）を取得するスロットル弁開度取得部（状態情報取得部、開度取得部）と、スロットル弁開度取得部が取得したスロットル弁開度を記憶するスロットル弁開度記憶部（状態情報記憶部、開度記憶部）と、前記エンジンの負荷が一定である場合に、スロットル弁開度記憶部から取得したスロットル弁開度に基づいてエンジンの排気側からエンジンの吸気側へ環流させるエンジンの排ガスの還流量を決定するスロットル弁開度処理部（状態情報処理部、開度処理部）と、決定された還流量で排ガスを還流させるスロットル弁開度処理結果出力部（状態情報処理結果出力部、開度処理結果出力部）と、を含んで構成される。

図１は、本実施形態に係るＥＧＲ制御装置が適用されるエンジンの、回転速度制御の流れを説明する制御ブロック図である。図２は、本実施形態に係るＥＧＲ制御装置と、これが適用されるガスエンジンの概略図である。本実施形態に係るＥＧＲ制御装置が適用されるエンジンは、次のように回転速度が一定の目標値となるように制御されている。まず、図１を用いて回転速度制御の流れを説明する。

制御対象であるガスエンジン１７に、エンジン回転速度の目標値Ｎｅｔが与えられる。目標値は、例えば１６００ｒｐｍである。ＥＣＵ（Engine Control Unit：エンジン制御装置）１１の制御器は、この目標値Ｎｅｔと、ガスエンジン１７から観測されたエンジン回転速度の観測値Ｎｅとの偏差ΔＮｅ（＝Ｎｅｔ−Ｎｅ）を求める。そして、前記制御器は、前記偏差ΔＮｅを０にするように、スロットル弁９の開度を操作する量であるスロットル弁９の操作量を決定する。

制御器としては、例えばＰＩ制御器が用いられる。なお、ＰＩ制御器は、オペアンプや抵抗、コンデンサ等を用いて専用のハードウェアで構成してもよいし、ＥＣＵ１１が実行するソフトウェアとして構成してもよい。ＥＣＵ１１は、ガスエンジン１７のスロットル弁９のアクチュエータ１０にスロットル弁９の操作量を出力し、アクチュエータ１０がスロットル弁９を出力された操作量だけ駆動してスロットル弁９の開度を変更する。スロットル弁９の開度は、回転速度操作手段であるスロットル弁９に操作量が与えられた結果の、スロットル弁９の状態を表す。この制御により、ガスエンジン１７の回転速度が一定の目標値に保持される。すなわち、回転速度操作手段であるスロットル弁９には、ガスエンジン１７の回転速度が一定の目標値となるように操作量が与えられていることになる。

本実施形態に係るＥＧＲ制御装置が適用されるエンジンを、ガスエンジンとして説明するが、本発明に係るＥＧＲ制御装置が適用されるエンジンはガスエンジンに限定されず、排ガス還流を行うすべてのエンジンに本発明に係るＥＧＲ制御装置を適用することができる。しかし、ガスエンジンは、燃料として一般家庭に供給されているガスを使用することができるので、燃料の供給が容易であり、一般家庭に簡単に設置することができるため、家庭用電気‐熱コジェネレーションシステムなどの家庭用機器に組み込むのに適している。従って、本発明のＥＧＲ制御装置を家庭用機器に組み込む場合は、本発明に係るＥＧＲ制御装置をガスエンジンに適用することが好ましく、本発明に係るエンジンはガスエンジンであることが好ましい。

エンジン本体２には、吸気側に燃料ガスと空気との混合気を吸気する吸気管３、排気側にエンジン燃焼後に生じる排ガスＥｘを排出する排気管４が接続されている。吸気管３の中間部と排気管４の中間部とを連結してＥＧＲ管５が設けられている。ＥＧＲ管５は、排気管４を流れる排ガスを、吸気管３に導き、排ガスをエンジン本体２に還流させる。排ガスＥｘの還流量は、ＥＧＲ管５の途中に設けられたＥＧＲ弁６（還流量調節手段）の開度を調節することによって制御することができる。ＥＧＲ弁６として、例えば、ニードル弁、バタフライ弁、ソレノイド弁等が使用される。

ＥＧＲ弁６にはアクチュエータ７が組み込まれており、ＥＧＲ弁６を駆動してその開度を変更する。アクチュエータ７は、決定された還流量で排ガスＥｘを還流させる状態情報処理結果出力部、開度処理結果出力部として機能する。アクチュエータ７として、ステッピングモータ等を使用することができる。エンジン本体２の吸気管３には、空気と燃料ガスを混合するミキサ８と、エンジン本体２への、ミキサ８で混合された空気と燃料との混合気の流量を調節するスロットル弁９とが接続されている。スロットル弁９として、例えば、ニードル弁、バタフライ弁、ソレノイド弁等が使用される。

スロットル弁９を通って送出された混合気に、ＥＧＲ管５から導入された排ガスＥｘが合流し、エンジン本体２の燃焼室に送られる。スロットル弁９にはアクチュエータ１０が組み込まれ、スロットル弁９を駆動してその開度を変更している。

スロットル弁又はＥＧＲ弁がデューティソレノイド弁である場合のように、全開−全閉されることにより制御される場合は、開度はある時間に対して開弁している時間の割合で表される。

スロットル弁９のアクチュエータ１０及びＥＧＲ弁６のアクチュエータ７には、ＥＣＵ１１が接続されている。ＥＣＵ１１とアクチュエータ７とでＥＧＲ制御装置１が構成される。ＥＣＵ１１は、エンジン本体２の運転を制御すると共に、本実施形態のＥＧＲ制御装置１の一部として機能している。ＥＣＵ１１から各アクチュエータ７，１０にスロットル弁９の操作量とＥＧＲ弁６の開度指令（開度処理結果）とが送られる。ＥＣＵ１１には、エンジン本体２の回転速度検出手段１２が接続され、エンジン本体２から検出された回転速度がＥＣＵ１１に送られる。また、ＥＣＵ１１にはガスエンジン１７の負荷検出手段である電力計１３が接続されており、ガスエンジン１７が駆動する発電機（図示せず）が接続される回路で消費される電力を測定している。電力計１３で測定される消費電力は、発電機の負荷の大きさを表し、出力が発電機を駆動させるためだけに使用されているガスエンジン１７の場合には、消費電力が一定であるときがガスエンジン１７の負荷が一定であるときであるとしてよい。

ＥＣＵ１１は、インターフェース部１４、記憶部１５、処理部１６を含んで構成される。インターフェース部１４には、各アクチュエータ７，１０と、回転速度検出手段１２と、電力計１３とが接続されて、これらと、記憶部１５や処理部１６との情報の通信を可能にしている。記憶部１５は、ハードディスク装置や光磁気ディスク装置、フラッシュメモリ等の不揮発性のメモリや、ＣＤ−ＲＯＭ等のような読み出しのみが可能な記憶媒体、ＲＡＭ（Random Access Memory）のような揮発性のメモリ、あるいはこれらの組み合わせにより構成される。また、記憶部１５は、ＥＧＲ制御装置１に内蔵されるものの他、他の装置（データベースサーバ）内にあり、ＥＧＲ制御装置１は、通信により記憶部１５にアクセスするものであってもよい。

処理部１６はメモリ及びＣＰＵ（Central Processing Unit：中央演算装置）により構成される。処理部１６は専用のハードウェアにより実現されるものであっても、処理部１６の機能を実現するためのプログラム（図示省略）を処理部１６のメモリにロードして実行することによりその機能を実現させるものであってもよい。

図３は、ＥＧＲ制御装置の一部として機能するＥＣＵをさらに詳しく説明するための模式図である。ＥＧＲ制御装置１の一部として機能するＥＣＵ１１の処理部１６は、スロットル弁開度取得部１８と、スロットル弁開度処理部１９と、負荷回転速度取得部２０と、制御条件判断部２１とを含んで構成される。ＥＣＵ１１の記憶部１５は、スロットル弁開度記憶部２２と、スロットル弁開度範囲記憶部２３と、負荷回転速度記憶部２４とを含んで構成される。

負荷回転速度取得部２０は、ガスエンジン１７の負荷情報とガスエンジン１７の回転速度とを取得する。負荷回転速度記憶部２４は、負荷回転速度取得部２０が取得した、負荷情報と回転速度とを記憶する。制御条件判断部２１は、負荷回転速度記憶部２４から取得された負荷情報と回転速度とに基づいてガスエンジン１７の負荷が一定でありかつガスエンジン１７の回転速度が一定であるか否かを判定し、ガスエンジン１７の負荷が一定でありかつガスエンジン１７の回転速度が一定であると判断した場合には、スロットル弁開度処理部１９にスロットル弁９の開度に基づいて排ガスＥｘの還流量を決定させ、ガスエンジン１７の負荷が一定でない又はガスエンジン１７の回転速度が一定でないと判断した場合には、排ガスＥｘの還流量を０に決定する。

スロットル弁開度取得部１８は、スロットル弁９の開度を取得する。スロットル弁開度記憶部２２は、スロットル弁開度取得部１８が取得したスロットル弁開度を記憶する。スロットル弁開度範囲記憶部２３は、ガスエンジン１７の燃焼状態が目標とする状態であるときのスロットル弁開度範囲を記憶する。スロットル弁開度処理部１９は、エンジンの負荷が一定である場合に、スロットル弁開度記憶部２２から取得したスロットル弁開度に基づいてエンジンの排気側からエンジンの吸気側へ環流させるエンジンの排ガスＥｘの還流量を決定する。

図４は、本実施形態に係るＥＧＲ制御装置１によるＥＧＲ制御の流れの一部を示すフローチャートである。ＥＧＲ制御装置１による制御の流れを以下に説明する。まず、電力計１３（負荷検出手段）により測定された消費電力（負荷）と、クランク角センサやカム角センサなどの、エンジンの回転速度を検出する回転速度検出手段１２が検出した回転速度とを、処理部１６にある負荷回転速度取得部２０がインターフェース部１４を介して取得する（ステップＳ１）。負荷回転速度取得部２０により取得された消費電力と回転速度とは、記憶部１５にある負荷回転速度記憶部２４に記憶される。

次に、処理部１６にある制御条件判断部２１は、負荷回転速度記憶部２４から、消費電力と回転速度とを取得し、消費電力が一定であり、かつ回転速度が一定であるかを判断する（ステップＳ２）。一定であるか否かの判断は、取得された消費電力と回転速度と、予め記憶部１５に記憶させておいた、目標とする消費電力値及び回転速度との比較によって行われる。

処理部１６にある制御条件判断部２１が、消費電力(負荷)が一定でない又は回転速度が一定でないと判断した場合は（ステップＳ２：Ｎｏ）、制御条件判断部２１が排ガスの還流量を０に定め、ＥＧＲ弁６のアクチュエータ７に、ＥＧＲ弁の開度を０とする指令を送る（ステップＳ５）。アクチュエータ７は、指令に従って、ＥＧＲ弁６の開度が０になるようにＥＧＲ弁６を駆動する。

制御条件判断部２１が、消費電力が一定であり、かつ回転速度が一定であると判断した場合（ステップＳ２：Ｙｅｓ）、スロットル弁開度処理部１９は、スロットル弁開度に基づいて還流量を決定する（ステップＳ３）。次に、制御条件判断部２１は、ガスエンジン１７の運転が終了されるか継続されるかを判断する（ステップＳ４）。制御条件判断部２１が、ガスエンジン１７の運転が継続されると判断した場合（ステップＳ４：Ｎｏ）は、ステップＳ１に戻り、負荷情報と回転速度とが再度取得される。制御条件判断部２１が、ガスエンジン１７の運転が終了されると判断した場合（ステップＳ４：Ｙｅｓ）は、制御が終了される。

ＥＧＲ制御装置１が、負荷回転速度取得部２０と、負荷回転速度記憶部２４と、制御条件判断部２１とを備えることで、負荷が一定かつ回転速度が一定の場合にのみ、スロットル弁開度に基づいて還流量を決定することができる。ここでは、消費電力(負荷)が一定でない又は回転速度が一定でないと制御条件判断部２１が判断した場合に、排ガスの還流量を０に定める例について説明したが、制御条件判断部２１は、還流量を他の適当な値に定めてもよい。

図５は、スロットル弁開度処理部１９が、スロットル弁開度に基づいて還流量を決定する場合における制御の手順を示すフローチャートである。スロットル弁開度に基づいて還流量が決定されることを制御条件判断部２１が決定した場合（ステップＳ３）、処理部１６は、スロットル弁開度に基づいて還流量を決定する制御（ステップ３）が開始されるのが初回であるか否か（制御開始初回か否か）を判断する（ステップＳ６)。処理部１６が、制御開始が初回であると判断した場合は（ステップＳ６：Ｙｅｓ）、処理部１６は、ＥＧＲ弁６のアクチュエータ７に、ＥＧＲ弁６の開度の初期値（ＥＧＲ弁開度初期値という）を出力する。ＥＧＲ弁開度初期値として、ガスエンジン１７の負荷が一定、かつガスエンジン１７の回転速度が一定であるという条件下で、ガスエンジン１７の燃焼状態が目標とする状態となるような値が、シミュレーションや、ＥＧＲ制御装置１が適用されるガスエンジン１７と同一設計のガスエンジンを用いた実験によって予め決定される。

目標とする状態とは、例えば排ガスＥｘ中の窒素酸化物の量が基準値以下となるような状態である。決定されたＥＧＲ弁開度初期値は記憶部１５に記憶される。又は、スロットル弁開度処理部１９により最後に決定されたＥＧＲ弁６の開度が次回制御の際のＥＧＲ弁開度初期値として記憶部１５に記憶されてもよい。処理部１６は、記憶部１５に記憶されたＥＧＲ弁開度初期値を取得して、ＥＧＲ弁６のアクチュエータ７にＥＧＲ弁開度初期値を出力するように指令し、アクチュエータ７がＥＧＲ弁６の開度が初期値となるようにＥＧＲ弁６を駆動する（ステップＳ７）。処理部１６が、スロットル弁開度に基づいて還流量を決定する制御が開始されるのが初回ではないと判断した場合は（ステップＳ６：Ｎｏ）、ステップＳ７は行われず、次のステップＳ８（後述する）へと手順が進められる。この場合、ＥＧＲ弁開度初期値ではなく、前回制御の際にスロットル弁開度に基づいて決定されたＥＧＲ弁６の開度の値が出力される。

ＥＧＲ弁６の開度が初期値または前回制御の際に決定された値となった後、処理部１６にあるスロットル弁開度取得部１８が、スロットル弁開度を取得する（ステップＳ８）。スロットル弁開度取得部１８は、スロットル弁開度をスロットル弁９に設置された開度を検出するセンサから取得したり、スロットル弁９のアクチュエータ１０の駆動履歴を用いてスロットル弁開度取得部１８が演算したりすることなどにより取得する。アクチュエータ１０がステッピングモータである場合は、スロットル弁開度は、エンジン始動後からステッピングモータに与えられた操作量の和となる。スロットル弁開度の取得は、任意のサンプリング間隔、例えば５０ミリ秒間隔で行うことができる。スロットル弁開度取得部１８が取得したスロットル弁開度は、スロットル弁開度記憶部２２により記憶される（ステップＳ９）。

スロットル弁開度処理部１９は、スロットル弁開度記憶部２２から取得したスロットル弁開度に基づいて、ＥＧＲ弁６の開度を決定し（ステップＳ１０）、スロットル弁開度処理部１９は決定したＥＧＲ弁６の開度をアクチュエータ７に指令する。ここで、一定の回転速度でガスエンジン１７を運転し、かつガスエンジン１７の負荷が一定の場合には、回転速度操作手段の状態を示す状態情報であるスロットル弁開度は、エンジンの燃焼状態の指標となる。従って、スロットル弁開度に基づいてＥＧＲ弁６の開度が決定されて排ガスの還流量が決定されることで、エンジンの燃焼状態に応じて適切に排ガスの還流量が決定される。

同じ設計のエンジンであっても、加工誤差、組み付け誤差によってばらつきがあり、また、同一個体であっても経年変化や供給燃料の成分変動等によって排ガスＥｘの適切な還流量が異なってくる。しかし、スロットル弁開度処理部１９が、エンジンの燃焼状態に応じて排ガスの還流量を決定することで、エンジンの排ガス中に存在する窒素酸化物の量の変動を抑制できる。また、エンジンの燃焼状態を把握するための、Ｏ_２センサ等の追加の機器は必要ないので、簡便に排ガスの還流量を調節することができる。

スロットル弁開度処理部１９が、ガスエンジン１７の回転速度ではなく、スロットル弁開度に基づいて、ＥＧＲ弁６の開度を決定すなわち排ガスＥｘの還流量を決定することにより、回転速度に基づいてＥＧＲ弁６の開度を決定するときよりも安定してガスエンジン１７を運転することができる。これは次の理由による。ガスエンジン１７の回転速度は、温度、空燃比、負荷の変動等の外乱に対して鋭敏に反応する。この場合、検出される回転速度と目標回転速度との偏差を０にすべく、操作量としてスロットル弁９の開度を増減させる指令がスロットル弁９のアクチュエータ１０に与えられるとき、前記操作量が与えられた結果であるスロットル弁９の開度(状態情報)は、エンジン始動後からのエンジンの回転速度の制御状態を反映するものであって、回転速度ほど外乱に対して鋭敏には反応しないからである。

次に、スロットル弁開度処理部１９が、ＥＧＲ弁６の開度を決定する手順（ステップＳ１０）について具体的に説明する。スロットル弁開度処理部１９は、取得したスロットル弁開度と、エンジンの燃焼状態が目標とする状態であるときのスロットル弁開度範囲（状態情報範囲、燃料供給調節弁の開度範囲）とを比較する。エンジンの燃焼状態が目標とする状態であるときのスロットル弁開度範囲として、例えばエンジンの排ガスＥｘ中に存在する窒素酸化物の量が基準値以下となるような範囲が設定される。スロットル弁開度範囲は、エンジンの負荷が一定でかつ回転速度が一定という条件下で、シミュレーションや、ガスエンジン１７と同一設計のガスエンジンを用いた実験により予め決定される。スロットル弁開度範囲は、例えば６８±７％（全開時を１００％とする）である。決定されたスロットル弁開度範囲は、スロットル弁開度範囲記憶部２３に記憶される。

スロットル弁開度処理部１９がスロットル弁開度範囲記憶部２３からスロットル弁開度範囲を取得して、スロットル弁開度とスロットル弁開度範囲とを比較する。スロットル弁開度がスロットル弁開度範囲にない場合には、スロットル弁開度処理部１９は、スロットル弁開度がスロットル弁開度範囲内となるようにＥＧＲ弁６の開度を変更し、ＥＧＲ弁６のアクチュエータ７に開度を指令し、アクチュエータ７がＥＧＲ弁６の開度を出力する。

このように、スロットル弁開度処理部１９が、スロットル弁開度が予め設定されたスロットル弁開度範囲内となるようにＥＧＲ弁６の開度を変更することで、排ガスを、エンジンの燃焼状態が目標となる状態であるような還流量、例えばエンジンの排ガスＥｘ中の窒素酸化物の量が基準値以下となるような還流量で適切に還流させることができる。また、Ｏ_２センサ等により排気ガスの成分を観測しなくともよいので簡便である。

スロットル弁開度処理部１９が、スロットル弁開度とスロットル弁開度範囲の下限値とを比較し（ステップＳ１０ａ）、スロットル弁開度がスロットル弁開度範囲の下限値よりも小さいと判断した場合には（ステップＳ１０ａ：Ｙｅｓ）、目標とする燃焼状態よりも燃料がリッチな場合であるから、スロットル弁開度処理部１９は、ＥＧＲ弁６の開度を増加させることを決定し（ステップＳ１０ｂ）、増加された新たなＥＧＲ弁６の開度をアクチュエータ７に指令する。

スロットル弁開度処理部１９が、スロットル弁開度がスロットル弁開度範囲の下限値以上であると判断した場合には（ステップＳ１０ａ：Ｎｏ）、さらにスロットル弁開度とスロットル弁開度範囲の上限値とを比較する（ステップＳ１０ｃ）。スロットル弁開度処理部１９が、スロットル弁開度がスロットル弁開度範囲の上限値以下であると判断した場合には（ステップＳ１０ｃ：Ｙｅｓ）、スロットル弁開度処理部１９は、ＥＧＲ弁６の開度を維持することを決定する（ステップＳ１０ｄ）。

スロットル弁開度処理部１９が、スロットル弁開度がスロットル弁開度範囲の上限値より大きいと判断した場合には（ステップＳ１０ｃ：Ｎｏ）、目標とする燃焼状態よりも燃料がリーンな場合であるから、スロットル弁開度処理部１９は、ＥＧＲ弁６の開度を減少させることを決定し（ステップＳ１０ｅ）、減少された新たなＥＧＲ弁６の開度をアクチュエータ７に指令する。スロットル弁開度処理結果出力部であるアクチュエータ７は、スロットル弁開度処理部１９からの、ＥＧＲ弁６の開度維持、又は開度増減の指令を受けて、ＥＧＲ弁６の弁開度を指令に応じたＥＧＲ弁開度に調整する（ステップＳ１１）。

なお、スロットル弁開度処理部１９が、スロットル弁開度とスロットル弁開度範囲の下限値とを最初に比較する例について説明したが、比較の順番は問わず、最初にスロットル弁開度とスロットル弁開度範囲の上限値とを比較してもよい。また、スロットル弁開度処理部１９は、スロットル弁開度として、スロットル弁開度取得部１８が取得したスロットル弁開度の値をそのまま用いて比較してもよいが、任意の時間のスロットル弁開度の平均値を求めてスロットル弁開度範囲と比較し、任意の時間ごとにスロットル弁開度を決定してもよい。

例えば、スロットル弁開度取得部１８が５０ｍｓのサンプリング間隔で５秒間取得したスロットル開度をスロットル弁開度処理部１９がスロットル弁開度取得部１８から取得してその平均値を算出し、５秒ごとに平均値とスロットル弁開度範囲とを比較してもよい。平均値とスロットル弁開度範囲とが比較されることで、スロットル弁開度取得部１８が取得するスロットル弁開度に異常値があっても、ＥＧＲ弁６の開度がこの異常値に影響されにくくなる。また、平均値をとる時間を増減し、スロットル弁開度の増減に対するＥＧＲ弁６の開度の増減の反応の速さを変化させることもできる。

ＥＧＲ弁６の弁開度が指令に応じたＥＧＲ弁開度に調整された後（ステップＳ１１）、スロットル弁開度処理部１９がスロットル弁開度に基づいて還流量を決定する手順（ステップＳ３）は終了し、ステップＳ４に進む。

また、制御条件判断部２１が、ガスエンジン１７の回転速度が一定でない、又はガスエンジン１７の負荷が一定でないと判断した場合は、スロットル弁開度処理部１９は、スロットル弁開度に基づいてＥＧＲ弁開度を決定しない。これにより、不安定な運転状況では排ガス循環量を変動させないようにして、エンジンの運転がさらに不安定になることを回避することができる。この場合、制御条件判断部２１がＥＧＲ弁６の開度を０に決定し、アクチュエータ７に開度を０とすることを指令し、アクチュエータ７は、ＥＧＲ弁６を駆動してＥＧＲ弁６を全閉とする。

ここで、制御条件判断部２１は、ＥＧＲ弁６の開度を０以外の他の適当な値に定めても良いが、０と決定することが好ましい。制御条件判断部２１が、不安定な運転状況ではＥＧＲ弁６の開度を０とすることで、エンジンの運転を、排ガスを還流させる場合よりも早く安定させることができる。また、ＥＧＲ制御装置１は、回転速度が一定でない、又は負荷が一定でないと判断された場合には、制御条件判断部２１とスロットル弁開度処理部１９とに、スロットル弁開度処理部１９による排ガス還流量の決定よりも制御条件判断部２１による排ガス還流量の決定を優先させる指令を発する処理選択部を有していてもよい。処理選択部は、処理部１６の一部の機能であってもよいし、例えば割り込みコントローラのように、処理部１６とは別の要素であってもよい。

以上のように、本実施形態に係るＥＧＲ制御装置１は、ガスエンジン１７の回転速度が一定に制御され、ガスエンジン１７の負荷が一定である場合のガスエンジン１７の排ガス還流量を、ガスエンジン１７の個体差に応じて適切に、かつ簡便に決定することができる。

上述した本実施形態に係るＥＧＲ制御装置１では、スロットル弁９の開度に基づいてＥＧＲ弁６の開度を決定したが、エンジンの回転速度操作手段として、スロットル弁の他に、燃料と空気を混合した後に、燃料と空気との混合気の供給量を調節することで燃料の供給量を調節する他の燃料供給調節手段、燃料と空気を混合する前に燃料の供給量を調節する燃料供給調節手段、空気の量に応じて燃料の供給量が決定される場合は空気量調節手段、燃料噴射弁等を適用してもよい。そして、これらの回転速度操作手段に操作量が与えられた結果である、混合気の供給量、燃料供給量、空気量、燃料供給量の指標となる数値、空気量の指標となる数値、弁の開度などに基づいて、排ガスの還流量を決定してもよい。

〔エンジン〕
本実施形態に係るエンジンは、エンジンの回転速度を調節し回転速度が一定の目標値となるように操作量が与えられるスロットル弁（回転速度操作手段、燃料供給調節弁）を含み、エンジンの排ガスが、前記操作量が与えられた結果であるスロットル弁開度（状態情報）に基づいて決定された還流量で、排気側から吸気側へ還流され、かつ一定の負荷で運転されるガスエンジンである。

より詳しく説明すると、本実施形態に係るエンジンは、スロットル弁を有し、エンジンの排気側から前記エンジンの吸気側へ前記エンジンの排ガスを還流させるものであり、前記排ガスの還流量を調節するＥＧＲ弁６(還流量調節手段)を有するＥＧＲ装置と、上述した実施形態に係るＥＧＲ制御装置を含むガスエンジン１７である。本実施形態に係るガスエンジン１７については、ＥＧＲ制御装置１を説明する際に併せて説明したので説明を省略する。ガスエンジン１７は、適切、簡便に決定された還流量で排ガスを循環させることができ、ＥＧＲ制御装置１を含んで構成されているので、上述した実施形態に係るＥＧＲ制御装置の効果を有する。

［エンジン発電ユニット］
本実施形態に係るエンジン発電ユニットは、スロットル弁（回転速度操作手段）を含み、エンジンの排ガスが、スロットル弁開度（状態情報）に基づいて決定された還流量で、排気側から吸気側へ還流され、かつ一定の負荷で運転されるガスエンジンと、ガスエンジンで駆動される発電機と、発電機に接続され、ガスエンジンの負荷が前記一定の負荷より小さい場合に、ガスエンジンの負荷が前記一定の負荷となるように消費電力を大きく変更することができる電熱ヒータ（電力消費手段）と、を含んで構成される。さらに詳しく説明すると、本実施形態に係るエンジン発電ユニットに含まれるガスエンジンは、上述した実施形態に係るＥＧＲ制御装置１を含んで構成される。

図６は、本実施形態に係るエンジン発電ユニットの概略図である。エンジン発電ユニット２５は、ガスエンジン１７のエンジン本体２と、ＥＧＲ制御装置１の一部としても機能するＥＣＵ１１と、スロットル弁９と、電熱ヒータ２６と、発電機２７とを含んで構成される。以下図６に従ってエンジン発電ユニット２５について説明する。

燃料ガスは、外部から電磁弁３２を通って、ガバナ２８へ導入される。燃料ガスは、ガバナ２８で圧力を調整された後、ミキサ８で空気と混合され、スロットル弁９により流量を調節されてから、エンジン本体２に供給される。エンジン本体２から排出された排ガスは、排ガス熱交換器２９においてエンジン冷却水と熱交換して温度を下げられた後、一部はＥＧＲ弁６を通って燃料ガスと合流しエンジン本体２に還流され、還流されない残りの排ガスは、サイレンサ（図示せず）を通ってからエンジン発電ユニット２５の外部へ排出される。エンジン冷却水は、排ガスと熱交換してからエンジン本体２を冷却するために使われ、その後電熱ヒータ２６が通電されている場合には、電熱ヒータ２６によって加熱されて、エンジン発電ユニット２５の外部へ流出する。

エンジン本体２には、発電機２７が接続され、交流電力を発電している。発電された電力は、インバータユニット３０により系統電源と同調する交流電力に変換され、エンジン発電ユニット２５外部の系統電源と繋げられる。発電された交流電力は、エンジン発電ユニット２５の外部にある外部負荷３１により消費される。ガスエンジン１７は、回転速度一定で定格運転される。定格運転時の発電量よりも外部負荷３１の消費電力が大きい場合は、系統電源から外部負荷３１に給電され、小さい場合、余剰の電力は電熱ヒータ２６へ送られて、電熱ヒータ２６により消費される。エンジン発電ユニット２５が、余剰電力を消費する電熱ヒータ２６（電力消費手段）を含んで構成されていることにより、発電機２７の負荷は一定となり、発電機２７を駆動するガスエンジン１７の負荷も一定となる。ガスエンジン１７の負荷が一定となるので、ＥＧＲ制御装置の一部として機能するＥＣＵ１１が、スロットル弁開度に基づいて排ガスの循環量を決定することができる。

外部負荷３１の消費電力と、電熱ヒータ２６の消費電力とを合わせた発電機２７の全負荷は、インバータユニット３０にある電力計１３により測定される。この測定値はＥＣＵ１１に送られ、ＥＧＲ制御装置として機能するＥＣＵ１１による制御のために使用される。ＥＣＵ１１は、電磁弁３２と、スロットル弁９のアクチュエータ１０と、ＥＧＲ弁６のアクチュエータ７と、回転速度検出手段１２と接続される。また、ＥＣＵ１１は、図示されていないが、排ガスの温度センサ、エンジンオイルの油温センサ、油圧スイッチ、エンジン点火プラグ、エンジン冷却後の冷却水水温センサ、電熱ヒータ２６による加温後の冷却水水温センサ等とも接続されて、ガスエンジンの制御を行っている。エンジン発電ユニット２５に含まれるガスエンジン１７、ＥＧＲ制御装置１については、上述したので説明を省略する。

エンジン発電ユニット２５は、適切、簡便に決定された還流量で排ガスを循環させることができ、上述した実施形態に係るガスエンジンを含んで構成されているので、上述した実施形態に係るガスエンジンの効果を有する。

［ＥＧＲ制御方法］
本実施形態に係るＥＧＲ制御方法は、エンジンの回転速度を調節する回転速度操作手段に、前記回転速度が一定の目標値となるように操作量が与えられた結果である、回転速度操作手段の状態を示す状態情報が取得される状態情報取得手順と、前記状態情報取得手順で取得された前記状態情報が記憶される状態情報記憶手順と、前記エンジンの負荷が一定である場合に、前記状態情報記憶手順で記憶された前記状態情報に基づいて前記エンジンの排気側から前記エンジンの吸気側へ環流させる前記エンジンの排ガスの還流量が決定される状態情報処理手順と、決定された前記還流量で前記排ガスが還流させられる状態情報処理結果出力手順と、を含むＥＧＲ制御方法である。

より具体的に図５を用いて説明するが、ＥＧＲ制御装置１の説明と重複する説明は省略する。スロットル弁開度取得手順Ｓ８（状態情報取得手順）では、スロットル弁開度取得部１８により、回転速度操作手段に回転速度が一定の目標値となるように操作量が与えられる結果である、スロットル弁開度が取得される。次いで、スロットル弁開度記憶手順Ｓ９（状態情報記憶手順）では、スロットル弁開度記憶部２２により、スロットル弁開度取得手順Ｓ８で取得されたスロットル弁開度が記憶される。スロットル弁開度処理手順Ｓ１０では、スロットル弁開度処理部１９により、エンジンの負荷が一定である場合に、スロットル弁開度記憶手順Ｓ９において記憶されたスロットル弁開度に基づいて排ガスの還流量が決定される。スロットル弁開度処理結果出力手順Ｓ１１（状態情報処理結果出力手順）において、スロットル弁開度出力部としてのＥＧＲ弁６のアクチュエータ７により、決定された還流量で排ガスが還流させられる。

本実施形態に係るＥＧＲ制御方法により、スロットル弁開度に基づいて排ガスの還流量が決定されることで、エンジンの燃焼状態に応じて適切に排ガスの還流量が決定される。エンジンの燃焼状態に応じて排ガスの還流量が決定されることで、エンジンの排ガス中の窒素酸化物の量が変動することを避けることができる。また、エンジンの燃焼状態を把握するための、Ｏ_２センサ等の追加の機器が必要とされないので、簡便に排ガスの還流量を調節することができる。

また別の実施形態に係るＥＧＲ制御方法は、状態情報処理手順において、状態情報とエンジンの燃焼状態が目標とする状態であるときの状態情報範囲とを比較し、状態情報が前記状態情報範囲にない場合には、状態情報が前記状態情報範囲内となるように排ガスの還流量を変更することを特徴とする。

より具体的に図５を用いて説明する。すでに述べた実施形態に係るＥＧＲ制御方法と重複する説明は省略する。スロットル弁開度範囲記憶部２３（状態情報範囲記憶部）が、エンジンの燃焼状態が、目標とする状態であるときのスロットル弁開度範囲（状態情報範囲）を記憶する。スロットル弁開度処理手順Ｓ１０（状態情報処理手順）において、スロットル弁開度処理部１９が、スロットル弁開度範囲記憶部２３からスロットル弁開度範囲を取得して、スロットル弁開度とスロットル弁開度範囲とを比較する（ステップＳ１０ａ、ステップＳ１０ｃ）。次いで、スロットル弁開度がスロットル弁開度範囲にない場合は、スロットル弁開度がスロットル弁開度範囲内となるように排ガスの還流量を増減させる決定を行う（ステップＳ１０ｂ、ステップＳ１０ｅ）。

本実施形態に係るＥＧＲ制御方法により、排ガスを、エンジンの燃焼状態が目標となる状態であるような還流量、例えばエンジンの排ガス中に存在する窒素酸化物の量が基準値以下となるような還流量で適切に還流させることができる。また、Ｏ_２センサ等により排気ガスの成分を観測しなくともよいので簡便である。

以上のように、本発明に係るＥＧＲ制御装置は、排ガス還流量を、個々のエンジンに応じて適切かつ簡便に決定するために有用である。

１ＥＧＲ制御装置
２エンジン本体
３吸気管
４排気管
５ＥＧＲ管
６ＥＧＲ弁
７アクチュエータ
８ミキサ
９スロットル弁
１０アクチュエータ
１２回転速度検出手段
１３電力計
１４インターフェース部
１５記憶部
１６処理部
１７ガスエンジン
１８スロットル弁開度取得部
１９スロットル弁開度処理部
２０負荷回転速度取得部
２１制御条件判断部
２２スロットル弁開度記憶部
２３スロットル弁開度範囲記憶部
２４負荷回転速度記憶部
２５エンジン発電ユニット
２６電熱ヒータ
２７発電機
２８ガバナ
２９排ガス熱交換器
３０インバータユニット
３１外部負荷
３２電磁弁
Ｓ８スロットル弁開度取得手順
Ｓ９スロットル弁開度記憶手順
Ｓ１０スロットル弁開度処理手順
Ｓ１１スロットル弁開度処理結果出力手順

Claims

エンジンの回転速度を調節する回転速度操作手段に、前記回転速度が一定の目標値となるように操作量が与えられた結果である前記回転速度操作手段の状態を示す状態情報を取得する状態情報取得部と、
前記状態情報取得部が取得した前記状態情報を記憶する状態情報記憶部と、
前記エンジンの負荷が一定である場合に、前記状態情報記憶部から取得した前記状態情報に基づいて前記エンジンの排気側から前記エンジンの吸気側へ環流させる前記エンジンの排ガスの還流量を決定する状態情報処理部と、
決定された前記還流量で前記排ガスを還流させる状態情報処理結果出力部と、
前記エンジンの燃焼状態が、目標とする状態であるときの状態情報範囲を記憶する状態情報範囲記憶部と、を含み、
前記回転速度操作手段は、前記エンジンへの燃料の供給量を調節する燃料供給調節弁であり、前記状態情報は、前記燃料供給調節弁の開度であり、前記状態情報範囲は、前記燃料供給調節弁の開度範囲であり、前記状態情報処理部は、前記燃料供給調節弁の開度と前記燃料供給調節弁の開度範囲とを比較し、前記開度が前記開度範囲の下限値より小さい場合に、前記還流量を変更前より大きな値に変更し、前記開度が、前記開度範囲の上限値より大きい場合に、前記還流量を変更前より小さな値に変更することにより、前記開度が前記開度範囲内となるように前記還流量を変更することを特徴とするＥＧＲ制御装置。
前記エンジンの負荷が、消費電力によって定まることを特徴とする請求項１に記載のＥＧＲ制御装置。