JP6150589B2 - エンジンシステム - Google Patents
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Description
前記ガス供給路から前記吸気路への燃料ガスの供給量を調整可能な供給量調整手段と、
前記エンジンの排気路に配置され、当該排気路に排出された排ガスを浄化する三元触媒と、
前記エンジンに吸気される混合気の空燃比を所定の変調周期で周期的に振動させる空燃比振動処理を実行する制御手段とを備えたエンジンシステムに関する。
そして、このように三元触媒を排気路に設けたエンジンシステムとしては、三元触媒に積極的に酸素吸脱を行わせることで触媒活性を促進させ当該三元触媒の浄化効率を向上するために、エンジンに吸気される混合気の空燃比を所定の変調周期で周期的に振動させる空燃比振動処理(所謂パータベーション処理)を実行するものが知られている(例えば、特許文献1を参照。)。
また、このように排気路に三元触媒を設けた場合、その下流側に設けられた酸素センサの検出結果に基づいて空燃比を制御するのが一般的であるが、かかる酸素センサが理論空燃比でしか反応しないことから、上記空燃比振動処理を実行して空燃比を周期的に振動させながら、酸素センサのON/OFFの切り替わり状態を監視することで、空燃比が理論空燃比を含むストイキ範囲内にあるか否かを検出することで、空燃比の制御が行われている(例えば、特許文献2を参照。)。尚、このように空燃比振動処理を実行して空燃比制御を行う場合には、その応答性は空燃比の振動周期に依存するものとなる。
そして、このような空燃比振動処理は、従来、吸気路等に対して連続的に供給される燃料の供給量を変調周期で増減させることで実行されている。
エンジンの吸気路に燃料ガスを供給するガス供給路と、
前記ガス供給路から前記吸気路への燃料ガスの供給量を調整可能な供給量調整手段と、
前記エンジンの排気路に配置され、当該排気路に排出された排ガスを浄化する三元触媒と、
前記エンジンに吸気される混合気の空燃比を所定の変調周期で周期的に振動させる空燃比振動処理を実行する制御手段とを備えたエンジンシステムであって、
その第1特徴構成は、
前記ガス供給路に、開閉作動弁を備えると共に、
前記供給量調整手段として、前記開閉作動弁を前記変調周期よりも小さい開閉作動周期で周期的に開閉作動させると共に当該開閉作動のデューティー比制御により前記吸気路への燃料ガスの供給量を調整可能な開閉作動部を備え、
前記制御手段が、
前記開閉作動弁の開閉作動のデューティー比制御により前記空燃比をストイキ範囲内に設定する空燃比設定制御を実行すると共に、
前記空燃比振動処理において、前記変調周期で当該開閉作動弁の開閉作動のパルス幅を変調させて、前記空燃比を当該変調周期で周期的に振動させるよう構成され、
前記ガス供給路における前記開閉作動弁の下流側にバッファ部を備え、
前記開閉作動弁から前記吸気路への燃料ガスの平均供給量をG(L/sec)、前記変調周期をTp(sec)とした場合に、
前記バッファ部の容積V(L)が、G×Tp/2に相当する容積に設定されている点にある。
また、このときの開閉作動弁の開閉作動の周期は、比較的小さい開閉作動周期に設定されて、開閉作動弁が閉状態となる時間が短くなるので、吸気路への燃料ガスの供給が停止することを緩和して、吸気路において混合気が一時的に過剰に希薄となることを抑制し失火の発生を防止することができる。
また、ガス供給路の開閉作動弁の下流側にバッファ部を設けることで、当該ガス供給路から吸気路への燃料ガスの供給状態において、開閉作動弁の開閉作動による開閉周期の変動を緩和させることができる。
そして、このバッファ部の容積を、上記のように変調周期の半分の時間に開閉作動弁を通過する燃料ガスの量に相当するものに設定することで、当該ガス供給路から吸気路への燃料ガスの供給状態において、上記変調周期での燃料ガスの供給量の振動を維持して、空燃比をストイキ付近で振動させることができる。
従って、本発明により、簡単且つ合理的な構成を採用しつつ、ガス供給路に設けた開閉作動弁を変調周期で周期的に開閉作動させると共に当該開閉作動のデューティー比制御により吸気路への燃料ガスの供給量を調整する場合において、エンジンに吸気される混合気の空燃比を適切に振動させることができるエンジンシステムを実現することができる。
前記制御手段が、前記空燃比振動処理において、前記変調周期の変調パルスを、前記開閉作動弁を開閉作動させるための開閉作動パルスに組み込んで、当該開閉作動のパルス幅を変調させる点にある。
前記ガス供給路として、燃料ガスが連続的に通流する主ガス供給路と、前記開閉作動弁を設けた副ガス供給路とを、前記吸気路に対して並列接続して備えた点にある。
図1に示すエンジンシステムは、混合気Mを気筒31で圧縮して燃焼させて軸動力を出力するエンジン30を備えており、このエンジン30は、天然ガス系都市ガスの燃料ガスFを利用したレシプロ式ガスエンジンとして構成されている。即ち、エンジン30は、シリンダの内面とピストンの頂面とで規定される複数の気筒31を配置してなる多気筒型のエンジンとして構成されており、更に、夫々の気筒31に接続され空気Aが導入される吸気路20と、夫々の気筒31に接続され当該気筒31から排ガスEが排出される排気路40とが備えられている。また、センサ等の検出結果が入力され、その入力信号に基づいて制御弁などの各種補機を制御して、ガスエンジンの運転を制御するコンピュータからなるエンジンコントロールユニット(以下、ECUと呼ぶ。)50(制御手段の一例)が設けられている。
尚、複数の気筒31の夫々に対して、吸気路20は、各気筒31に分岐する複数の吸気ポート20bを有する吸気マニホールド20aを介して接続されており、一方、排気路40は、各気筒31に分岐する複数の排気ポート40bを有する排気マニホールド40aを介して接続されている。
更に、出力軸36には、ヒートポンプシステムの圧縮機35等の回転負荷が接続されており、出力軸36で出力した軸動力が当該圧縮機35の駆動源として利用される。
一方、吸気路20には、上流側から順に、吸気路20を通流する空気Aに燃料ガスFを混合して混合気Mを形成するミキサ10と、開度調整により吸気マニホールド20aを介して各気筒31への当該混合気Mの吸気量を調整可能なスロットルバルブ21とが配置されている。また、エンジン30には、エンジン回転速度を検出する回転速度センサ34が設けられており、ECU50は、回転速度センサ34にて検出されるエンジン回転速度が目標回転速度になるように、スロットルバルブ21の開度を調整して、気筒31への混合気Mの吸気量を調整することにより、エンジン30の出力を制御する所謂出力制御手段53として機能する。
混合部11は、吸気路20を縮径させたベンチュリ構造を有し、吸気路20を流通する空気Aが上記ベンチュリ構造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、ガス供給路12から供給された燃料ガスFを、吸気路20を流通する空気Aに供給して、吸気路20に混合気Mを形成するように構成されている。
主ガス供給路12aには開度調整可能なニードル弁などの開度調整弁15が配置されおり、この開度調整弁15の開度を制御するアクチュエータからなる開度調整部16が設けられている。
即ち、この開度調整部16は、開度調整弁15の開度制御により主ガス供給路12aを介した混合部11への燃料ガスFの供給量を調整可能に構成されていることから、ガス供給路12から混合部11への燃料ガスの供給量を調整可能な供給量調整手段17であると言える。
また、この開度調整弁15は、開度調整が行われるものの、常に開状態が維持されていることから、主ガス供給路12aから燃料ガスFが連続的に供給されることになる。よって、主ガス供給路12aから混合部11への燃料ガスFの供給状態は、上記主ガス供給路12aからの連続的な燃料ガスFの供給により途絶えることがなくなり、よって、エンジン30へ吸気される混合気Mの空燃比は過剰に燃料希薄状態となることが抑制され、結果、失火等が防止されることになる。
また、この開閉作動部14は、開閉作動弁13を周期的に開閉作動させる開閉作動状態と、開閉作動弁13を閉鎖させる閉鎖状態に切替可能に構成されている。
尚、開閉作動部14は、ECU50から、開閉作動弁13の開閉作動の開閉周期Tpと同じ周期を有し、且つ、同開閉作動の開時間Toと同じパルス幅を有する開閉作動パルス信号の入力を受け付け、この開閉作動パルス信号に基づいて開閉作動弁13を開閉作動させる。
そして、ストイキ燃焼モードでは、図2に示すように、燃焼モード切替手段52は、開度調整部16を制御して開度調整弁15を全開状態として、主ガス供給路12aから混合部11への燃料ガスFの供給量を最大に維持した状態で、開閉作動部14を制御して開閉作動弁13を開閉作動状態として、副ガス供給路12bから混合部11への燃料ガスFの供給状態を間欠的なものとする。
すると、混合部11に対する燃料ガスFの供給量は比較的多い状態で維持されることになる。
更に、このストイキ燃焼モードにおいて、空燃比制御手段51は、酸素センサ42にて検出される排ガスEの酸素濃度がストイキ範囲内の空燃比に応じて設定された濃度(例えば、略ゼロ)になるように燃料ガスFの供給量を調整すべく、開閉作動部14による開閉作動弁13の開閉作動のデューティー比制御を行って、副ガス供給路12bを介した混合部11への燃料ガスFの供給量を調整することで、混合部11で形成される混合気Mの空燃比をストイキ範囲内に維持する。
すると、混合部11に対する燃料ガスFの供給量は比較的少ない状態で維持されることになる。
更に、このリーン燃焼モードにおいて、空燃比制御手段51は、酸素センサ42にて検出される排ガスEの酸素濃度がリーン範囲内の空燃比に応じて設定されたリーン側目標濃度になるように燃料ガスFの供給量を調整すべく、開度調整部16による開度調整弁15の開度制御を行って、副ガス供給路12bを介した混合部11への燃料ガスFの供給量を調整することで、混合部11で形成される混合気Mの空燃比をリーン範囲内に維持する。
そして、このように燃焼モード切替手段52によりエンジン30の燃焼モードをストイキ燃焼モードとリーン燃焼モードとの間で切り替えることで、燃焼モードの切替時における開閉作動弁13の開閉作動状態と閉鎖状態との切替により、迅速に、吸気路20に配置された混合部11に供給される燃料ガスFの供給量が比較的大幅に変化させることができる。
三元触媒41は、例えば、アルミナ等の無機担体に白金、パラジウム、ロジウム等の貴金属成分を担持して構成され、酸化性成分と還元性成分とがつりあった状態の理論空燃比の排ガスEが通過することで、その排ガスE中のNOx、CO及びHCの排出物を同時に除去するように構成されている。
つまり、エンジン30の燃焼モードがストイキ燃焼モードとされて、当該エンジン30に吸気される混合気Mの空燃比がストイキ範囲内に設定されているときには、排ガスEが三元触媒41を通過すると、その排ガスE中のNOxが還元されると共に、CO及びHCが酸化されることになり、NOx、CO及びHCが同時に除去される。
一方、エンジン30の燃焼モードがリーン燃焼モードとされて、当該エンジン30に吸気される混合気Mの空燃比がリーン範囲内内に設定されているときには、排ガスEが三元触媒41を通過すると、主に、CO及びHCが酸化されて除去されることになり、又、排ガスEには元々NOxが殆ど含まれていないので、NOxは排出量が規定値以下に抑えられることになる。
そして、ECU50は、かかる空燃比振動処理を実行する空燃比振動手段55として機能するように構成されており、その詳細について以下に説明を加える。
具体的に、かかる空燃比制御手段51は、図4の(a)に示すように、混合部11に形成される混合気Mの空燃比がストイキ範囲内の目標空燃比となるように、開閉作動弁13の開閉作動のデューティー比を決定し、開閉作動弁13を常に同じ開時間Toで開閉作動させると仮定した場合の当該開時間を所期パルス幅Pw0として求める。
そして、開閉作動弁13の開閉作動の開閉周期Tpと同じパルス周期を有し、且つ、当該所期パルス幅Pw0のパルス幅を有する初期開閉作動パルス信号を生成する。
すると、空燃比制御手段51は、図4の(c)に示すように、予め生成した初期開閉作動パルスに空燃比振動手段55から入力された変調パルスを組み込むことで、パルス幅を当該変調パルスのパルス値の変化に応じて変調させる新たな開閉作動パルスを生成する。具体的には、この開閉作動パルスは、初期開閉作動パルス信号と同じパルス周期Tpを有すると共に、各パルス幅Pwを、下記の[数1]の数式に示すように、初期開閉作動パルス信号のパルス幅Pw0及び変調パルス信号の値Phから求める形態で、当該開閉作動パルス信号の各パルス幅Pwを変調周期Thで変調させるものとする。
Pw=Pw0+a×(Ph−0.5)
Pw:開閉作動パルス信号のパルス幅
Pw0:初期開閉作動パルス信号のパルス幅
Ph:変調パルス信号の値
a:正の係数
そこで、本実施形態のエンジンシステムでは、副ガス供給路12bの開閉作動弁13の下流側に所定の容量を容積を有するバッファ部19が配置されている。
具体的に、かかるバッファ部19の容積V(L)は、開閉作動弁13から混合部11への燃料ガスFの平均供給量をG(L/sec)、変調周期Tpの逆数である変調周波数をHとした場合に、変調周期Tpの半分の時間に開閉作動弁13を通過する燃料ガスの量に相等するG/(2×H)に設定されている。
よって、副ガス供給路12bから混合部11への燃料ガスFの供給状態において、上記変調周期Tpでの燃料ガスFの供給量の振動状態、即ち変調周期Thの半分の時間毎に燃料ガスFの供給量が増減する状態については維持されて、混合部11で生成される混合気Mの空燃比がストイキ付近で振動することになり、一方、その変調周期Tpよりも十分に小さい開閉作動周期での燃料ガスFの供給量の振動状態については、バッファ部19で緩和されることになる。
最後に、本発明のその他の実施形態について説明する。尚、以下に説明する各実施形態の構成は、それぞれ単独で適用されるものに限られず、矛盾が生じない限り、他の実施形態の構成と組み合わせて適用することも可能である。
(1)上記実施形態では、主ガス供給路12aに開度調整可能な開度調整弁15を設けたが、主ガス供給路12aを介した混合部11への燃料ガスFの供給量の調整を行う必要がない場合には、かかる開度調整弁15を省略しても構わない。
即ち、図5に示す配置形態では、主ガス供給路12aは、上記実施形態と同様に、吸気路20における混合部11に接続されており、その主ガス供給路12aには、開度調整弁15が配置されている。
一方、副ガス供給路12b’については、吸気マニホールド20aの各吸気ポート20bに夫々接続されており、その夫々の副ガス供給路12b’に開閉作動弁13’が配置されている。
かかる夫々の副ガス供給路12b’に配置されている夫々の開閉作動弁13’は、対応する気筒31における吸気行程において開状態となり、他の行程において閉状態となるように、開閉作動部14’によりエンジン30のサイクル周期と同じ周期で開閉作動される。そして、開閉作動部14’は、この周期的に開閉作動する開閉作動弁13’の開閉作動のデューティー比を制御することで、吸気路20に対する燃料ガスGの供給量を調整可能な供給量調整手段17として機能することになる。
また、この実施形態においても、エンジン30の燃焼モードをストイキ燃焼モードに切り替えた場合には、燃焼モード切替手段52は、開度調整部16を制御して開度調整弁15を全開状態とした状態で、開閉作動部14’を制御して開閉作動弁13’を開閉作動状態とし、空燃比制御手段51は、開閉作動弁13’の開閉作動のデューティー比制御を行って、各気筒31に吸気される混合気Mの空燃比をストイキ範囲内に維持する。
一方、エンジン30の燃焼モードをリーン燃焼モードに切り替えた場合には、燃焼モード切替手段52は、開度調整部16を制御して開度調整弁15を開状態として、開閉作動部14’を制御して開閉作動弁13’を閉鎖状態とし、空燃比制御手段51は、開度調整弁15の開度制御を行って、各気筒31に吸気される混合気Mの空燃比をリーン範囲内に維持する。
前記ガス供給路から前記吸気路への燃料ガスの供給量を調整可能な供給量調整手段と、
前記エンジンの排気路に配置され、当該排気路に排出された排ガスを浄化する三元触媒と、
前記エンジンに吸気される混合気の空燃比を所定の変調周期で周期的に振動させる空燃比振動処理を実行する制御手段とを備えたエンジンシステムとして好適に利用可能である。
11 :混合部
12 :ガス供給路
12a :主ガス供給路
12b :副ガス供給路
12b’ :副ガス供給路
13 :開閉作動弁
13’ :開閉作動弁
14 :開閉作動部
14’ :開閉作動部
15 :開度調整弁
16 :開度調整部
17 :供給量調整手段
20 :吸気路
20a :吸気マニホールド
20b :吸気ポート
30 :エンジン
31 :気筒
41 :三元触媒(触媒の一例)
43 :温度センサ
51 :空燃比制御手段
55 :空燃比振動手段
A :空気
E :排ガス
F :燃料ガス
M :混合気
Claims (3)
- エンジンの吸気路に燃料ガスを供給するガス供給路と、
前記ガス供給路から前記吸気路への燃料ガスの供給量を調整可能な供給量調整手段と、
前記エンジンの排気路に配置され、当該排気路に排出された排ガスを浄化する三元触媒と、
前記エンジンに吸気される混合気の空燃比を所定の変調周期で周期的に振動させる空燃比振動処理を実行する制御手段とを備えたエンジンシステムであって、
前記ガス供給路に、開閉作動弁を備えると共に、
前記供給量調整手段として、前記開閉作動弁を前記変調周期よりも小さい開閉作動周期で周期的に開閉作動させると共に当該開閉作動のデューティー比制御により前記吸気路への燃料ガスの供給量を調整可能な開閉作動部を備え、
前記制御手段が、
前記開閉作動弁の開閉作動のデューティー比制御により前記空燃比をストイキ範囲内に設定する空燃比設定制御を実行すると共に、
前記空燃比振動処理において、前記変調周期で当該開閉作動弁の開閉作動のパルス幅を変調させて、前記空燃比を当該変調周期で周期的に振動させるよう構成され、
前記ガス供給路における前記開閉作動弁の下流側にバッファ部を備え、
前記開閉作動弁から前記吸気路への燃料ガスの平均供給量をG(L/sec)、前記変調周期をTp(sec)とした場合に、
前記バッファ部の容積V(L)が、G×Tp/2に相当する容積に設定されているエンジンシステム。 - 前記制御手段が、前記空燃比振動処理において、前記変調周期の変調パルスを、前記開閉作動弁を開閉作動させるための開閉作動パルスに組み込んで、当該開閉作動のパルス幅を変調させる請求項1に記載のエンジンシステム。
- 前記ガス供給路として、燃料ガスが連続的に通流する主ガス供給路と、前記開閉作動弁を設けた副ガス供給路とを、前記吸気路に対して並列接続して備えた請求項1又は2に記載のエンジンシステム。
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