JP5841925B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、パータベーションを行うためのソレノイドを備えた内燃機関に関するものである。

一般に、酸素貯蔵能を有する排気浄化触媒として、例えば三元触媒が知られている。この三元触媒は、空燃比がストイキからリッチ側にずれた場合には、自身が吸蔵している酸素を気相に放出し、リーン側にずれた場合には、気相中の酸素を取り込んで吸蔵することで、排気ガスの浄化能力を発揮する。したがって、空燃比がリッチ側にずれたり、リーン側にずれたりしすぎると、触媒中の酸素蓄積量が枯渇したり飽和したりすることとなって浄化能力が低下してしまうこととなる。

そこで、従来より、内燃機関において、空燃比をリッチ側またはリーン側に交互に強制振動（パータベーション）させ、触媒中の酸素の吸蔵および放出を繰り返すことで、当該触媒を活性化させる技術が提案されている。この強制振動は、バルブを開けたり閉めたり交互に変化させることで行われていた（例えば、特許文献１参照）。

また、内燃機関において、バルブの開閉に関しては、開度の小さい縮小領域と開度の大きい拡大領域とに比べてその中間にある中間領域は、開度変化に対する流量の変化が一定であるため、この中間領域を使ってバルブの開閉を行うことが知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００７−２３９６９８号公報 特開２０１０−６５６２１号公報

ところで、パータベーションは、バルブの開度変化を素早く行う必要があることから、ソレノイドバルブが用いられている。しかしながら、ソレノイドバルブの場合、板バネやスプリングで閉じるように付勢された可動弁を、この付勢力に抗して電磁コイルで可動させることで開くように構成されているため、経時的使用により、可動弁の付勢力が低下したり、可動弁が摩耗したり、燃料の通過経路が汚れたりしてバルブの流量特性が変化してしまう。その結果、設定当初のパータベーションの中心位置が、経時的使用によってずれてしまい、燃料の通過量が変化してパータベーションを制御できなくなってしまう。

また、上記従来の特許文献２に示すバルブのように、中間領域を使って開閉するように構成していたとしても、経時的使用によってバルブの流量特性自体が変化してしまうので、制御不能となってしまう。このようなパータベーションにおける中心位置のずれは、バルブに供給する空気や燃料等の制御条件の変化によって生じるものではなく、バルブ自体の経時的劣化によってバルブ特定が変わってしまうことによって生じるものであるため、あらかじめ想定することができなかった。したがって、パータベーションの中心位置がずれて制御できなくなると、バルブの交換や清掃など、内燃機関を停止させてメンテナンスをしなければならず、メンテナンス作業が煩わしく、メンテナンス費用が嵩むこととなる。

本発明は係る実情に鑑みてなされたものであって、バルブの汚損状況や摩耗状況などの経時的変化に追従して正常なパータベーションを長く行うことができる内燃機関を提供することを目的としている。

上記課題を解決するための本発明に係る内燃機関は、酸素センサによってストイキの空燃比を検知してソレノイドでパータベーションを行う内燃機関において、ソレノイドと並列に調整弁が設けられ、制御部は、ソレノイドの開閉領域の中間領域でパータベーションを行う際のソレノイドのバルブ開度と調整弁のバルブ開度との相関関係の制御マップを具備するものである。

上記内燃機関において、制御部は、吸気部の経時的劣化に応じて制御マップを更新するようになされたものであってもよい。

上記内燃機関において、制御部は、ソレノイドによるパータベーションによって変化する空燃比の応答時間のずれを検知し、この応答時間のずれに応じて制御マップを更新するものであってもよい。

上記内燃機関において、制御部は、制御マップを基に、ソレノイドの開閉領域の中間領域でパータベーションが行われるように調整弁の開度を制御するものであってもよい。

上記内燃機関において、制御部は、調整弁を全開してもソレノイドの開閉領域の中間領域でパータベーションを行うことができなくなった場合にソレノイドの摩耗または調整弁の汚損を通報する通報手段を有するものであってもよい。

上記内燃機関において、調整弁はリーン制御可能な特性となされ、制御部は、この調整弁によるリーン運転を制御できるようになされたものであってもよい。

本発明によると、常にソレノイドを適正な動作領域で使用することができる。

また、ソレノイドの摩耗や調整弁の汚損などによるメンテナンス時期を容易に知ることができる。

本発明に係る内燃機関の全体の構成の概略を示す概略図である。 図１に示す内燃機関の吸気部の構成を示すブロック図である。 パータベーション制御における空燃比、センサ出力、バルブ開度の各経時的変化を示すグラフである。 （ａ）パータベーション制御時におけるソレノイドバルブとＡ／Ｆバルブとの設定当初の燃料供給の相関関係図を示し、同図（ｂ）は経時後の燃料供給の相関関係図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は本発明に係るガスエンジン１の全体構成の概略を示し、図２は同ガスエンジン１の吸気部２を示し、図３は同ガスエンジン１の制御部１０によるパータベーション制御の制御図、図４は同ガスエンジン１におけるソレノイドバルブ２１とＡ／Ｆバルブ２２との設定当初の燃料供給の相関関係図を示している。

このガスエンジン１は、酸素センサ１１によってストイキ運転の空燃比を検知してソレノイドバルブ２１でパータベーションを行うものであって、ソレノイドバルブ２１と並列にＡ／Ｆバルブ２２が設けられ、Ａ／Ｆバルブ２２の開度調整によってソレノイドバルブ２１の開閉領域の中間領域２１ａでパータベーションを行う制御部１０を備えている。

吸気部２は、ソレノイドバルブ２１とＡ／Ｆバルブ２２とメインジェット２３とが、レギュレータ２４とミキサー２５との間に並列に接続されている。

ソレノイドバルブ２１は、理論空燃比となる空気過剰率（λ＝１）のストイキ運転をピンポイントで制御するために、燃料ガスが通過する開口面積を調整できるように設計された流量特性の比例制御弁によって構成されている。このソレノイドバルブ２１は、板バネまたはスプリングなどの付勢力によって流路を閉じるように付勢された可動弁を、電磁コイルで可動させて所定の開度に開くように構成されている。このソレノイドバルブ２１は、２５ヘルツの速さで開閉を行い、その開閉の際のデューティ比を変更することで開度が調整できるようになされている。なお、ソレノイドバルブ２１は、２５ヘルツのものに限定されるものではなく、この種のパータベーション制御で使用される各種周波数のソレノイドバルブ２１であってもよい。

Ａ／Ｆバルブ２２は、リーン燃焼となる空気過剰率（λ＝１．４〜１．６）のリーン運転を制御するために、燃料ガスの通過経路２０の開口面積を調整できるように設計された流量特性の比例制御弁によって構成されている。このＡ／Ｆバルブ２２は、ステッピングモータの回転によって可動弁の開度を一段階毎に調整できるように構成されている。

メインジェット２３は、ソレノイドバルブ２１およびＡ／Ｆバルブ２２とともに、レギュレータ２４からミキサー２５へ流れる燃料の量を調整するように構成されたバルブで、上記したソレノイドバルブ２１やＡ／Ｆバルブ２２とは異なり、開度は、使用するメインジェット２３の番号で固定されている。

レギュレータ２４は、常に一定の圧力で燃料ガスを供給できるように、燃料ガスの圧力を制御するようになされている。

ミキサー２５は、エアフィルタ２６からの空気と燃料ガスとを混合するベンチュリ管によって構成されている。このミキサー２５は、下流側に設けられたスロットル弁２７の開度に応じて吸入される空気のベンチュリ効果で燃料ガスと空気とを混合するようになされている。

この吸気部２は、リーン運転の際には、ソレノイドバルブ２１を閉じてＡ／Ｆバルブ２２の開閉度の制御で空気過剰率の範囲（λ＝１．４〜１．６）の制御を行うようになされている。

また、ストイキ運転の際には、Ａ／Ｆバルブ２２を所定の開度、例えば図４（ａ）に示すように、例えば５０％の開度に開けた状態で、ソレノイドバルブ２１を開閉領域の中間領域２１ａの開度（本実施の形態の場合２０％〜５５％）で、ストイキ運転を中心にリーン側およびリッチ側に空燃比が変動するように開閉度の制御をすることで、理論空燃比の空気過剰率（λ＝１）を制御するようになされている。

上記構成の吸気部２は、ガスエンジン１のシリッダヘッド１２の吸気口１３に接続される。このガスエンジン１は、排気経路１４に設けられた酸素センサ１１の測定検出結果に基づいて空気過剰率を測定するようになされている。また、この酸素センサ１１と、その排気ガス後段側に設けられた三元触媒３のさらに後段側に設けられた酸素センサ１５とによって、パータベーションを制御するようになされている。

このパータベーションは、制御部１０によって以下のようにして行われる。

すなわち、図３に示すように、酸素センサ１１によって三元触媒３に流入する手前の排気ガスの酸素濃度を測定する。この酸素センサ１１は、ストイキでの判定電圧の変化が大きく出るように設定されており、ストイキ運転よりもリーン側かリッチ側かの判定が明確に出るので、ストイキ運転よりもリッチ側に判定された場合には、ソレノイドバルブ２１を、ストイキ運転の設定よりも過剰にリーン側に閉じる。

すると、三元触媒３に吸蔵されていた酸素は、排気ガス中に放出されて排気ガスを浄化するが、そのうち三元触媒３に吸蔵されていた酸素が枯渇するので、三元触媒３の後段側に設けられた酸素センサ１５は、ソレノイドバルブ２１の切り替えから所定の応答時間Ｔ１後にリッチ側に移行する。

また、三元触媒３よりも前段側の酸素センサ１１は、ストイキよりもリーン側にソレノイドバルブ２１を閉じたことにより、リーン側に明確に判定されるので、この判定に合わせてソレノイドバルブ２１を、ストイキ運転の設定よりも過剰にリッチ側に開ける。

すると、排気ガス中の過剰の酸素は、三元触媒３に吸蔵され、三元触媒３に吸蔵された酸素が飽和してくるので、三元触媒３の後段側に設けられた酸素センサ１５は、ソレノイドバルブ２１の切り替えから所定の応答時間Ｔ２後にリーン側に移行する。

以後、約1〜２秒程度の所定のピッチで空燃比を変更（パータベーション）させることで、三元触媒３の後段側の酸素センサ１５は、ストイキ運転のリーン側とリッチ側とで空燃比がなだらかに変化する。この際、三元触媒３は、酸素の吸蔵および放出が繰り返されることとなり、触媒の活性化した状態が保たれることとなる。

なお、上記した所定の応答時間Ｔ１，Ｔ２は、酸素センサ１１からの信号を制御部１０が受けてからの時間であってもよいし、この酸素センサ１１からの信号を受けて制御部１０がソレノイドバルブ２１へ指令を出してからの時間であってもよい。

上記したパータベーションにおいて、ソレノイドバルブ２１は、開閉領域全体のうち、開度変化に対して流量変化が一定である中間領域２１ａを使って開閉を繰り返すことで、パータベーション制御ができるように、図４（ａ）に示すような制御マップが制御部１０に入力されている。この図４（ａ）は、ソレノイドバルブ２１をリーン側またはリッチ側にパータベーションさせた際のＡ／Ｆバルブ２２とソレノイドバルブ２１との開度の相関関係を示している。

制御部１０は、エンジン１の回転数や出力に応じて変更できるように条件毎に上記したような制御マップが記憶されている。理論上は、図４（ａ）に示すように、例えば、Ａ／Ｆバルブ２２のバルブ開度が約５０％の状態で、ソレノイドバルブ２１を約２０％から５５％の範囲で開度調整することでパーダベーション制御を行うことができる。しかし、経時的に使用すると、ソレノイドバルブ２１の切り替えから空燃比が移行するまでの応答時間Ｔ１，Ｔ２は、理論時間よりも一方が長く他方が短くなってずれてくる。すなわち、ソレノイドバルブ２１は、板バネまたはスプリングなどの付勢力によって流路を閉じるように付勢された可動弁を、電磁コイルで可動させて２５ヘルツの速さで開閉するようになされており、開閉時のデューティ−比で、所定の開度に開くように構成されているため、長期間にわたってパータベーションによるソレノイドバルブ２１の開閉を繰り返すと、付勢力が低下して可動弁の閉まりが悪くなったり、可動弁が摩耗して当該可動弁の閉まりが悪くなる。さらに、一定の開度を保っているＡ／Ｆバルブ２２は、コンタミネーションの問題により、流路が詰まり、理論流量よりも流量が低下してくる。このようなことから、ソレノイドバルブ２１とＡ／Ｆバルブ２２との開度の相関関係は、図４（ａ）に示すような設定当初の関係から、最終的には図４（ｂ）に示すような相関関係へと変化してしまう。この変化の過程においては、ソレノイドバルブ２１の切り替えから空燃比が移行するまでの応答時間Ｔ１，Ｔ２が設定当初の応答時間Ｔ１，Ｔ２よりも異なってくるので、この応答時間Ｔ１，Ｔ２にずれを生じてきた場合に、Ａ／Ｆバルブ２２の開度を上げてソレノイドバルブ２１ができるだけ中間領域２１ａで開閉してパータベーションを行うことができるように修正する。この修正は、前記した応答時間Ｔ１，Ｔ２がずれてきた場合に、そのずれを基にソレノイドバルブ２１とＡ／Ｆバルブ２２との開度の相関関係のマップを書き換えて更新し、そのマップを基にソレノイドバルブ２１の中間領域２１ａの開閉によってパータベーションが行われるようにＡ／Ｆバルブ２２の開閉を行うことで実行される。

最終的にはＡ／Ｆバルブ２２の開度を最大限に大きくしてもソレノイドバルブ２１の中間領域２１ａを使用することができなくなり、前記した応答時間Ｔ１，Ｔ２のずれが増し、パータベーション制御が不可能になってくる。

したがって、このパータベーション制御ができないような状況、すなわち、図４（ｂ）に示すような状況になった場合またはこのような状況になる前には、制御部１０から通報手段４に信号が発せられ、ソレノイドバルブ２１およびＡ／Ｆバルブ２２のメンテナンスが必要であることが通知される。この通報手段４は、ランプの点滅によって行うものであってもよいし、警報音の発生によって行うものであってもよいし、ガスエンジン１の停止によって行うものであってもよいし、これらのうちの幾つかを併用して通知するものであってもよい。

このようにして構成されるガスエンジン１は、ソレノイドバルブ２１やＡ／Ｆバルブ２２の汚損や摩耗によって、パータベーション制御にずれ生じても、このずれを修正して常にソレノイドバルブ２１の中間領域２１ａでパータベーションを行うようにＡ／Ｆバルブ２２の開度を調整し、常に正常なパータベーション制御を行うことができる。

この際、ソレノイドバルブ２１の開閉領域全体のうち、開度変化に対して流量変化が一定である中間領域２１ａを使ってパータベーションを行うことができるので、パータベーション制御が正確で、かつ、安定することとなる。また、ソレノイドバルブ２１やＡ／Ｆバルブ２２の汚損や摩耗によってずれを生じた際に、Ａ／Ｆバルブ２２の開度を大きくしてソレノイドバルブ２１の中間領域２１ａでパータベーションが行われるように制御することができるので、上記した汚損や摩耗が生じてからもしばらくはパータベーション制御を行うことが可能となり、ソレノイドバルブ２１やＡ／Ｆバルブ２２の長寿命化を図り、メンテナンスの回数を減らすことが可能となる。

また、パータベーション制御ができないような状況になった場合、またはこのような状況になる前に、制御部１０を介して知ることができるので、ソレノイドバルブ２１およびＡ／Ｆバルブ２２のメンテナンス時期を容易に知ることができる。特に、前もって知ることができるようにしておけば、ガスエンジン１の停止を計画的に行うことが可能となるので、特にガスエンジン１を常時運転してヒートポンプなどを動かしている場合には有効となる。

このガスエンジン１は、ガスヒートポンプ装置（図示省略）の駆動源として好適に使用することができる。すなわち、ガスヒートポンプ装置は、冬場や夏場は高負荷が必要とされるが、春や秋の季節には中低負荷で十分対応できる。しかも、ガスエンジン１は、高負荷が必要とされる場合は、複数台のコンプレッサーを駆動しており、逆に低負荷の場合は、一台のコンプレッサーを駆動しているのか通常である。したがって、このガスエンジン１を使用したガスヒートポンプ装置は、中低負荷の場合には、リーン運転を行い、高負荷が必要となった場合にはストイキ運転に切り替えて対応することができるので、小排気量のガスエンジン１を使用してコストの低減を図ることができる。

また、高負荷時には、ストイキ運転するため熱効率は低下するが、複数台のコンプレッサーを駆動したりすることで機械効率が高くなるので、熱効率は、中低負荷時のリーン運転と同等となる。当然、この中低負荷時の熱効率は、リーン運転するため優れている。したがって、通年エネルギー消費効率（ＡＰＦ）の高効率化を図ることができることとなる。

また、このガスエンジン１は、コージェネレーション装置（図示省略）の駆動源としても好適に使用することができる。すなわち、コージェネレーション装置は、通常運転時はリーン運転を行い、高負荷となる熱主運転に切り替える際に、ストイキ運転を行うことで、省エネルギー化を図ることができる。

なお、本実施の形態においてガスエンジン１は、リーン運転を制御可能なＡ／Ｆバルブ２２を使用しているため、リーン運転とストイキ運転とを切り替えて行うことができるように構成されているが、特にリーン運転とストイキ運転とを切り替えて行うことができるようになされたものに限定されるものではなく、Ａ／Ｆバルブ２２としては、パータベーションにおけるソレノイドバルブ２１の中間領域２１ａでの使用を可能にするためだけに設けたものであってもよい。

また、本実施の形態においては、ガスエンジン１について述べているが、ガスエンジン１の他に、パータベーション制御が行われる各種エンシンであってもよい。

１ ガスエンジン
１０ 制御部
１１ 酸素センサ
１５ 酸素センサ
２ 吸気部
２１ ソレノイドバルブ
２２ Ａ／Ｆバルブ（調整弁）
４ 通報手段
Ｔ 応答時間

Claims (6)

1. 酸素センサによってストイキの空燃比を検知してソレノイドでパータベーションを行う内燃機関において、
   ソレノイドと並列に調整弁が設けられ、
   制御部は、ソレノイドの開閉領域の中間領域でパータベーションを行う際のソレノイドのバルブ開度と調整弁のバルブ開度との相関関係の制御マップを具備することを特徴とする内燃機関。
2. 制御部は、吸気部の経時的劣化に応じて制御マップを更新するようになされた請求項1記載の内燃機関。
3. 制御部は、ソレノイドによるパータベーションによって変化する空燃比の応答時間のずれを検知し、この応答時間のずれに応じて制御マップを更新する請求項２記載の内燃機関。
4. 制御部は、制御マップを基に、ソレノイドの開閉領域の中間領域でパータベーションが行われるように調整弁の開度を制御する請求項１ないし３の何れか一に記載の内燃機関。
5. 制御部は、調整弁を全開してもソレノイドの開閉領域の中間領域でパータベーションを行うことができなくなった場合にソレノイドの摩耗または調整弁の汚損を通報する通報手段を有する請求項１ないし４の何れか一に記載の内燃機関。
6. 調整弁はリーン制御可能な特性となされ、制御部は、この調整弁によるリーン運転を制御できるようになされたことを特徴とする請求項１ないし５の何れか一に記載の内燃機関。

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