JP6439669B2 - 火花点火式ガスエンジンの燃焼制御方法、装置及びガスエンジン - Google Patents

Description

本発明は、火花点火式ガスエンジンの燃焼制御方法、装置及びガスエンジンに係り、特に、発電用ガスエンジンに用いるのに好適な、所定の負荷において１つのパラメータによって瞬時にエンジン性能（エンジン効率）と環境性能（ＮＯｘ値）を一定に保つことが可能な、火花点火式ガスエンジンの燃焼制御方法、装置及びこれを用いたガスエンジンに関する。

ガス燃料と空気とをガス混合器において所定の空燃比で混合し、この混合気（混合ガス）を給気管を通してエンジンの燃焼室に供給し、点火燃焼するように構成されたガスエンジンが実用化されている。

このようなガスエンジンは、吸入空気の絶対湿度、温度などの大気条件の変化や燃料ガスの組成の変化（燃料ガスの発熱量変動）により、燃焼速度、燃焼温度、燃焼圧力などの燃焼性に影響を受け、所定のエンジン回転数やエンジン出力は保つものの、エンジン効率（エンジン性能）や排ガス中のＮＯｘ値（環境性能）が安定しなくなる（一定に保てない）と言う問題が生じる。

これは、ガスエンジンが、排気ガス中の酸素濃度（Ｏ₂）センサや気筒内の吸気圧力センサにより空気過剰率λを所定の値に安定制御するシステムを備えていても、特に大気条件の変化や燃料ガスの組成の変化による燃焼速度の変動に対して、エンジン性能や環境性能を一定に保つことができないためである。

従って、エンジン効率や排ガス中のＮＯｘ値の安定化（大気条件や燃料ガス組成が変動しても変わらないこと）が図れる機構が必要となる。

なお、特許文献１には、筒内圧力検出器から入力される筒内圧力検出値及びクランク角検出器から入力されるクランク角検出値に基づき、燃焼室内における筒内圧力状態などの燃焼状態を診断したり、エンジンを停止したり、燃料点火タイミングを一定量進角／遅角したり、失火発生シリンダの燃焼噴射を遮断したり、消炎発生シリンダの燃料噴射量を増加することが記載されている。

また、特許文献２には、エンジンのシリンダに気筒内圧センサを設け、各気筒毎の内圧を検出し、この検出結果に基づいて、燃料供給量や燃料供給タイミングを制御すること、具体的には、気筒毎の燃焼ピーク圧力値がクランク角で上死点（ＴＤＣ）後、１０度〜１５度になるように、各気筒毎の点火時期を個別に制御すること（請求項２）、及び、時系列的に検出される気筒毎の燃焼ピーク圧力値がそれぞれ最大になるように、各気筒毎の燃料供給量（即ち空気過剰率）を制御すること（請求項４）が記載されている。

特開２００７−１７０４０５号公報 特開平９−９６２３８号公報

しかしながら、特許文献１、２の記載の技術は、いずれも、エンジン効率や排ガス中のＮＯｘ値の安定化を図るものではなかった。

なお、吸入空気の絶対湿度、温度などの大気条件の変化はそれぞれに対応したセンサーで検知できるし、燃料ガスの組成の変化は熱量計により検知できるが、応答性に難があり、かつ複数のパラメータを扱うことは容易ではない。できれば１つのパラメータによってかつ瞬時に対応できる新たな制御方法の導入が望ましいが、そのような制御方法は存在しなかった。

本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、１つのパラメータによって瞬時に対応できる新たな制御方法を提供することを課題とする。

本発明は、燃料ガス量や点火時期があらかじめ決定されたマッピングによる制御や、排気ガス中の酸素濃度や吸気圧力を一定に保つための燃料ガス量と吸入空気量を調整する機能を有する火花点火式ガスエンジンにおいて、気筒内の燃焼ピーク圧力値を検出して、負荷毎に設定した目標燃焼ピーク圧力値になるように点火時期を制御することにより、前記課題を解決したものである。

ここで、前記目標燃焼ピーク圧力値を、事前に検出した燃焼ピーク圧力値の解析値とすることができる。

また、前記ガスエンジンは、主燃焼が上死点後に始まる燃焼特性を有することができる。

本発明は、又、燃料ガス量や点火時期があらかじめ決定されたマッピングによる制御や、排気ガス中の酸素濃度や吸気圧力を一定に保つための燃料ガス量と吸入空気量を調整する機能を有する火花点火式ガスエンジンにおいて、気筒内の燃焼ピーク圧力値を検出する気筒内圧センサと、負荷毎に設定した目標燃焼ピーク圧力値になるように点火時期を制御する点火時期制御手段と、を備えたことを特徴とする火花点火式ガスエンジンの燃焼制御装置を提供するものである。

本発明は、更に、燃料ガス量や点火時期があらかじめ決定されたマッピングによる制御や、排気ガス中の酸素濃度や吸気圧力を一定に保つための燃料ガス量と吸入空気量を調整する機能を有する火花点火式ガスエンジンにおいて、気筒内の燃焼ピーク圧力値を検出する気筒内圧センサと、負荷毎に設定した目標燃焼ピーク圧力値になるように点火時期を制御する点火時期制御手段と、を備えたことを特徴とする火花点火式ガスエンジンを提供するものである。

本発明によれば、１つのパラメータによって瞬時に対応可能となり、所定の負荷において瞬時にエンジン性能と環境性能を一定に保つことが可能となる。

本発明を実施するのに適したガスエンジンの燃焼室形状の例を示す斜視図 本発明対象のエンジン及び一般のガスエンジンの気筒内圧力波形の例を比較して示す線図 本発明が適用されたガスエンジン発電機の全体構成を示すブロック図 本発明の原理を示す、（Ａ）点火時期に対するＮＯｘと発電端効率の関係の例、及び、（Ｂ）空気過剰率に対するＮＯｘと発電端効率の関係の例を示す線図

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態及び実施例に記載した内容により限定されるものではない。又、以下に記載した実施形態及び実施例における構成要件には、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。更に、以下に記載した実施形態及び実施例で開示した構成要素は適宜組み合わせてもよいし、適宜選択して用いてもよい。

本発明の実施形態で使用したガスエンジンの主な仕様と運転条件は表１の通りである。

詳細は省くが、本発明対象のエンジンは、図１にシリンダヘッド６０Ｓとピストン６０Ｐで構成される燃焼室６０Ｃの上死点（ＴＤＣ）時の断面形状の一例を示す如く、燃焼室６０Ｃの形状が強いスワールとスキッシュを与える形状をしていて、ＴＤＣ到達時まではピストン６０Ｐ頭部の大きな窪みへ向かう混合気流が発生し、火炎伝播を抑え込む流れを作っている。従って、図２に示す気筒内圧力波形の通り、正常な燃焼状態（ノッキングの発生がなく失火でもない燃焼状態）において、一般のガスエンジンと同様にＴＤＣ前に点火するが、主燃焼の始まりがＴＤＣ後となっている。このため、一般のガスエンジンと比べて、主燃焼部分での負の仕事が少なく（図２の斜線部分）、高いエンジン効率が得られる構造になっている。

一方、主燃焼の始まりがＴＤＣ後のピストン６０Ｐが下降に入ってからであるため、混合気の燃焼速度がエンジン性能に大きく影響する構造であり、吸入空気の絶対湿度や燃料ガスの組成の影響を受けやすい構造でもあり、本発明の効果が得やすい特性を有している。

本発明が適用された火花点火及び希薄燃焼方式のガスエンジン発電機の実施例の全体構成を図３に示す。このガスエンジンは、空気供給系統１０と、例えばステップモータで燃料ガス供給圧力を調整する燃料ガス調圧弁２２及び燃料ガス流量調整弁（ＦＣＶ）２４を含む燃料ガス供給系統２０と、前記空気供給系統１０及び燃料ガス供給系統２０から供給される空気及び燃料ガスを均一に混合する混合手段であるキャブレタ３０と、エンジン本体６０の排気系に配設された過給機タービン４０により駆動され、前記キャブレタ３０で混合された混合気を圧縮する過給機ブロア４２と、該過給機ブロア４２の圧縮により加熱された混合気を冷却するためのインタークーラー４４と、混合気が過剰なときに過剰な混合気を過給機ブロア４２の入口へ戻すためのターボバイパスバルブ（ＴＢＶ）４６と、混合気の供給量を調整するためのスロットル弁５０と、エンジン回転速度と出力を制御するため、該スロットル弁５０の開度を制御するスピードガバナ５２と、エンジン本体６０入側の吸気管内の圧力を検出する吸気圧力センサ５４と、例えばエンジンクランク軸の回転角を検出するクランク角センサのような回転数センサ６２、点火プラグ６４、例えば圧電型の気筒内圧センサ６６を備えたエンジン本体６０と、前記気筒内圧センサ６６と対をなす増幅器６８と、前記エンジン本体６０の出力（クランク）軸により回転駆動される（ガスエンジン）発電機７０と、該発電機７０により発電された電力を検出する電力トランスデューサ（ｋＷトランスデューサとも称する）７２と、前記エンジン本体６０の排気管に設けられた、例えば排気ガス中の酸素濃度から空燃比を検出するための空燃比センサであるＯ₂センサ８０と、スロットル弁５０前後の差圧で弁開度が例えば機械的に調整され、余剰排気を過給機タービン４０後にバイパスするためのウェストゲート弁９０と、前記吸気圧力センサ５４、回転数センサ６２、増幅器６８、電力トランスデューサ７２、Ｏ₂センサ８０などの入力に応じて、前記燃料ガス調圧弁２２、ＦＣＶ２４、ＴＢＶ４６、スロットル弁５０、点火装置１１０などを制御することにより、エンジン負荷に対する全体の制御を行うエンジンコントローラ１００とを備えている。

前記エンジンコントローラ１００は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどのコンピュータの一般的な構成に加え、エンジンマップを含む制御回路１０２と、本発明による補正回路１０４とを備えている。

燃料ガスはキャブレタ３０で空気と混合され、過給後、エンジン本体６０へ送られる。

前記点火装置１１０は、エンジンコントローラ１００から指令を受けた点火時期（ＩＴ）に、所定の点火エネルギパターンを点火プラグ６４に与えて混合気へ点火する。

このガスエンジンは、希薄燃焼方式であるため、エンジン出力によって空気過剰率λが１（低出力）〜１．８（高出力）程度に変化する。

そこで、発電機７０の負荷によらずエンジン回転数を一定に保つため、エンジンコントローラ１００はスロットル弁５０の開度を制御している。具体的には、負荷が増えるとスロットル弁５０を開いてエンジン回転数が落ちないようにする。従って、負荷投入や負荷遮断などのような急激な変動でなければ、エンジンストールや発電された電気の質の低下などの問題となるようなエンジン回転数の変動は発生しない。

一方、出力が変わると最適な空気過剰率λが変わるため、空燃比を制御する必要がある。空燃比の制御は、空気供給系統１０における給入空気流量に対する燃料供給量の制御を、燃料ガス調圧弁２２による燃料ガス供給圧力とＦＣＶ２４による燃料ガス流量の制御で行う。制御方法は、通常のフィードバック制御の他に、このときのエンジン回転数と発電量信号を、制御回路１０２に含まれるエンジンマップに照らし合わせて決定する方法も採用している。

ある条件下の一定した絶対湿度や吸入空気温度で調整されたエンジンは、λ安定制御している場合、気筒内の燃焼ピーク圧力値Ｐｍａｘは、ほぼ同等の状態で燃焼する。これが吸込み空気（特に絶対湿度）の変動や、ガス組成の変化による熱量変動などにより燃焼速度が変化（遅くなる）することで異なったＰｍａｘ（Ｐｍａｘが下がる）を示すようになる。

図４（Ａ）と図４（Ｂ）は、図３に示すガスエンジン発電機システムで表１に示すガスエンジン仕様と運転条件（気筒内の目標燃焼ピーク圧力値Ｐｍａｘを１１９ｂａｒに設定し、同一出力で同一Ｐｍａｘとなるようにしている）にて運転したときの、投入したガスのエネルギに対して発電機で発生した電気エネルギの割合を示す発電端効率（エンジン効率）と排気ガス中のＮＯｘ濃度（ＮＯｘ値）をそれぞれ点火時期と空気過剰率で整理した図である。

エンジン出力が一定でＰｍａｘが同じならば、点火時期や空気過剰率が変化しても発電端効率とＮＯｘ値がほぼ一定となる特性があることが分かる。

ここで、Ｐｍａｘが同じとは、Ｐｍａｘが出現するクランク角度は問わずにＰｍａｘ値が同じであることを示す。

言い換えると、燃料ガス量や点火時期があらかじめ決定されたマッピングによる制御や、Ｏ₂や吸気圧力を一定に保つ為ガス量を調整する機能を有するガスエンジンでは、負荷（エンジン出力）が一定でＰｍａｘ（Ｐｍａｘの値）が同じならば、点火時期（ＩＴ）や空気過剰率（λ）が変化してもエンジン効率や排気ガス中のＮＯｘ濃度がほぼ一定となる特性がある。

従って、エンジン効率や排気ガス中のＮＯｘ値の安定化を図るには、増幅器６８で求められるＰｍａｘが、エンジン出力に対して予め設定した目標Ｐｍａｘになるように点火時期や空気過剰率を微調整すればよいことになるが、応答性の点で点火時期の微調整の方が優れている（空気過剰率の調整には、燃料ガス流量調整弁（ＦＣＶ）２４や燃料ガス調圧弁２２を操作するが、操作端に質量を有するので、おのずと点火時期の調整に比べれば応答性は格段に劣る）。

従って、Ｐｍａｘを、全気筒もしくは代表する少数量の代表気筒に取り付けた気筒内圧センサ６６で計測して、Ｐｍａｘが所定の負荷毎に設定した目標Ｐｍａｘになるように点火時期（ＩＴ）を自動調整すれば、瞬時に所定の負荷においてエンジン効率とＮＯｘ値を一定に保つことができる。

なお、Ｐｍａｘは、エンジンが安定して燃焼していてもある程度変動するので、計測したＰｍａｘを平均化等の処理を施した解析値（例えば、前回運転時の単純平均値や、前回と前々回運転時の重み付けした移動平均値等）を用いてもよい。

本発明においては、本システムの制御パラメータは気筒内圧の計測値及びその解析値のみである。解析値（Ｐｍａｘ）が、各負荷に設定されたＰｍａｘ目標値となるよう、点火装置での点火時期のフィードバック制御を行うことで、大気条件や燃料ガス組成が変動しても、効率とＮＯｘを一定に維持することが可能となる。

なお、前記実施形態においては、本発明が希薄燃焼方式のガスエンジンに適用されていたが、本発明の適用対象はこれに限定されず、空気過剰率λがほぼ１のストイキオメトリック方式のガスエンジンにも同様に適用できる。

また、前記実施形態においては、本発明が過給機を備えた過給式ガスエンジンに適用されていたが、本発明の適用対象はこれに限定されず、過給機を持たない自然給気式ガスエンジンにも同様に適用できる。

１０…空気供給系統
２０…燃料ガス供給系統
２２…燃料ガス調圧弁
２４…燃料ガス流量調整弁（ＦＣＶ）
３０…キャブレタ
４０…過給機タービン
４２…過給機ブロア
４４…インタークーラー
４６…ターボバイパスバルブ（ＴＢＶ）
５０…スロットル弁
５２…スピードガバナ
５４…吸気圧力センサ
６０…エンジン本体
６０Ｃ…燃焼室
６０Ｐ…ピストン
６０Ｓ…シリンダヘッド
６２…回転数センサ
６４…点火プラグ
６６…気筒内圧センサ
６８…増幅器
７０…発電機
７２…電力トランスデューサ
８０…Ｏ₂（空燃比）センサ
９０…ウェストゲート弁
１００…エンジンコントローラ
１０２…エンジンマップを含む制御回路
１０４…補正回路
１１０…点火装置

Claims (7)

1. 燃料ガス量や点火時期があらかじめ決定されたマッピングによる制御や、排気ガス中の酸素濃度や吸気圧力を一定に保つための燃料ガス量と吸入空気量を調整する機能を有する火花点火式ガスエンジンにおいて、
   気筒内の燃焼ピーク圧力値を検出して、負荷毎に設定した目標燃焼ピーク圧力値になるように点火時期を制御することを特徴とする火花点火式ガスエンジンの燃焼制御方法。
2. 前記目標燃焼ピーク圧力値が、事前に検出した燃焼ピーク圧力値の解析値であることを特徴とする請求項１に記載の火花点火式ガスエンジンの燃焼制御方法。
3. 前記ガスエンジンが、主燃焼が上死点後に始まる燃焼特性を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の火花点火式ガスエンジンの燃焼制御方法。
4. 燃料ガス量や点火時期があらかじめ決定されたマッピングによる制御や、排気ガス中の酸素濃度や吸気圧力を一定に保つための燃料ガス量と吸入空気量を調整する機能を有する火花点火式ガスエンジンにおいて、
   気筒内の燃焼ピーク圧力値を検出する気筒内圧センサと、
   負荷毎に設定した目標燃焼ピーク圧力値になるように点火時期を制御する点火時期制御手段と、
   を備えたことを特徴とする火花点火式ガスエンジンの燃焼制御装置。
5. 前記目標燃焼ピーク圧力値が、事前に検出した燃焼ピーク圧力値の解析値であることを特徴とする請求項４に記載の火花点火式ガスエンジンの燃焼制御装置。
6. 前記ガスエンジンが、主燃焼が上死点後に始まる燃焼特性を有することを特徴とする請求項４又は５に記載の火花点火式ガスエンジンの燃焼制御装置。
7. 燃料ガス量や点火時期があらかじめ決定されたマッピングによる制御や、排気ガス中の酸素濃度や吸気圧力を一定に保つための燃料ガス量と吸入空気量を調整する機能を有する火花点火式ガスエンジンにおいて、
   気筒内の燃焼ピーク圧力値を検出する気筒内圧センサと、
   負荷毎に設定した目標燃焼ピーク圧力値になるように点火時期を制御する点火時期制御手段と、
   を備えたことを特徴とする火花点火式ガスエンジン。

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