JPH11229934A

JPH11229934A - 希薄燃焼ガス機関

Info

Publication number: JPH11229934A
Application number: JP10027435A
Authority: JP
Inventors: Toru Nakazono; 徹中園; Kyotaro Nishimoto; 京太郎西本
Original assignee: Yanmar Diesel Engine Co Ltd
Current assignee: Yanmar Co Ltd
Priority date: 1998-02-09
Filing date: 1998-02-09
Publication date: 1999-08-24

Abstract

(57)【要約】【課題】従来の希薄燃焼ガス機関においては、過給機
により過給することで、出力を向上させていたが、給気
温度が高くなるとブースト圧が低くて不足気味になる一
方、給気温度が低くなる冬場にはブースト圧が高くなり
過ぎて出力が増加しなくなってしまいサージング状態と
なっていた。また、空燃比をある一定の値に制御してい
る場合には、給気温度が低くなる程ＮＯｘ濃度が高くな
っていた。【解決手段】排温センサ１１により検出した排気温度
に基づいて空燃比制御を行うように構成し、該空燃比制
御により制御される空燃比が、給気管センサ５により検
出した給気温度が高い場合には、該給気温度が低い場合
よりも低くなるように設定した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、給気温度が高い場
合の空燃比を、高いリッチな状態となるように、該給気
温度が低い場合の空燃比を、低いリーンな状態となるよ
うに空燃比制御を行った希薄燃焼ガス機関に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、希薄燃焼ガス機関において
は、該機関に過給機を付設し、該過給機により圧縮空気
をシリンダ内に送り込んで過給することで、機関の出力
を向上させるように構成していた。この場合、過給機に
より高められたブースト圧（給気圧）は、図９に示すよ
うに、給気温度により変化し、給気温度が高い程ブース
ト圧が低くなって、給気温度が低い程ブースト圧は高く
なる傾向がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このように、給気温度
によりブースト圧が変化するため、給気温度が高くなる
夏場には、ブースト圧が低くて不足気味になる一方、給
気温度が低くなる冬場にはブースト圧が高くなり過ぎ
て、出力が増加しなくなってしまいサージング状態とな
っていた。このため、給気温度が低くなった場合にサー
ジング状態とならないように、過給効率が低い過給機を
機関に付設していた。これにより、給気温度が高い場合
にはブースト圧がさらに不足して充分なブースト圧を得
ることができなかった。また、図１０に示すように、空
燃比をある一定の値に制御している場合には、給気温度
の違いによってＮＯｘ濃度が変化し、給気温度が低くな
る程ＮＯｘ濃度が高くなる傾向があった。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明の解決しようとす
る課題は以上の如くであり、次に該課題を解決するため
の手段を説明する。即ち、請求項１においては、希薄燃
焼ガス機関において、検出した排気温度に基づいて空燃
比制御を行い、該空燃比制御により制御される空燃比
が、給気温度が高い場合には、該給気温度が低い場合よ
りも低くなるように設定したことである。

【０００５】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態を説明
する。図１は本発明の希薄燃焼ガス機関における給排気
系を示す図、図２は排気温度と残存酸素濃度との関係を
示す図、図３は空燃比制御のフローを示す図、図４は空
燃比制御を行った場合における平均排気温度及び残存酸
素濃度の変化を示す図、図５は空燃比制御を行った場合
における燃料ガス温度及び給気温度と空気過剰率との関
係を示す図、図６は空燃比の設定値による給気温度とブ
ースト圧との関係の違い及び空燃比制御を行った場合に
おける給気温度とブースト圧との関係を示す図、図７は
空燃比の設定値による給気温度とスロットル開度との関
係の違い及び空燃比制御を行った場合における給気温度
とスロットル開度との関係を示す図、図８は空燃比の設
定値による給気温度とＮＯｘ濃度との関係の違い及び空
燃比制御を行った場合における給気温度とＮＯｘ濃度と
の関係を示す図、図９は従来の希薄燃焼ガス機関におい
て空燃比を一定にした場合の給気温度とブースト圧との
関係を示す図、図１０は同じく希薄燃焼ガス機関におい
て空燃比を一定にした場合の給気温度とブースト圧との
関係を示す図である。

【０００６】本発明の希薄燃焼ガス機関について説明す
る。図１においては、ガスミキサー２内で空気Ａと燃料
ガスＧとが一定比にて混合され、この混合気が過給機１
５のブロア部１５ｂより送出され、給気冷却器（インタ
ークーラー）を経て、スロットル３によって供給量を調
整されながら、機関８のシリンダヘッド８ａへ供給され
る。そして、出力調整、即ち、ブースト圧（給気圧）の
調整は、スロットル３の開度調整によるものであって、
該スロットル３は電子ガバナ４により開度を自動制御さ
れる。該機関８内で燃焼した後の排気は、機関８のシリ
ンダヘッド８ａより延設される排気管１６から、過給機
１５のタービン部１５ａを通過して、排気冷却器（熱交
換器）１４に導入され、その後、排気放出管９から外部
へ放出される。そして、排気が過給機１５のタービン部
１５ａを通過する際には該タービン部１５ａを回転さ
せ、タービン部１５ａの回転により前記ブロア部１５ｂ
が駆動される。

【０００７】また、機関８のクランク軸には機関回転数
を検出する回転数センサ７を、給気管１２のスロットル
１５の下流側部分には、該給気管１２内の給気圧を検出
する給気圧センサ５を、ガスミキサー２のガス供給管２
ａには燃料ガスＧの供給量を検出する供給量検出センサ
１０、及び、ガスミキサー２への燃料ガスＧの供給量を
調整するための空燃比制御バルブ１を、排気管９の根元
部には排気温度を検出する排温センサ１１を設けてお
り、回転数センサ７、給気圧センサ５、供給量検出セン
サ１０、及び、排温センサ１１はコントローラ６と接続
されている。

【０００８】そして、機関８の運転時には、空燃比制御
バルブ１を適宜制御することにより、ガスミキサー２へ
の燃料ガスＧの供給量を調整して、所望の空燃比（吸入
空気量／吸入燃料量）を得るように構成している。この
空燃比の調整は、前記排温センサ１１により検出した排
気温度を、コントローラ６に予め設定しておいた目標排
気温度と比較して、検出した排気温度が目標排気温度と
等しくなるように空燃比制御バルブ１を制御することで
行っている。

【０００９】ここで、排温センサ１１により検出される
排気温度と排気中の残存酸素濃度との関係について、図
２に示しているが、排気温度が低下するのに比例して残
存酸素濃度が高くなっている。即ち、残存酸素濃度は空
燃比と比例関係にあるため、排気温度の低下に比例して
空燃比が高くなるのである。従って、空燃比が所望の値
となるように制御するためには、排気温度を制御すれば
よい。そこで、本発明の希薄燃焼ガス機関においては、
機関８で燃焼した後の排気を外部へ排出するための排気
管９の根元部分に排温センサ１１を配設し、該排温セン
サ１１により検出した排気温度に基づいて空燃比制御バ
ルブ１を制御して、所望の空燃比を得るように構成して
いる。

【００１０】次に、この空燃比制御のフローを説明す
る。図３において、まず、ステップ１０１・１０２・１
０３で、給気管内圧、排気温度、及び、給気管内温度を
コントローラ６へ読み込み、ステップ１０４で読み込ん
だ排気温度の偏差が一定値以上であるか否かを判断す
る。その後、ステップ１０５で読み込んだ排気温度の平
均値を算出するとともに、ステップ１０６で予め設定し
ておいた目標排気温度を読み込む。そして、ステップ１
０７にて排気温度平均と目標排気温度とを比較し、排気
温度平均が目標排気温度よりも低い場合には、ステップ
１０８の如く空燃比制御バルブ１の開度のステップ数を
アップして、ガスミキサー２への燃料ガスＧの供給量を
増加させ、逆に、排気温度平均が目標排気温度よりも高
い場合には、ステップ１０９の如く空燃比制御バルブ１
の開度のステップ数をダウンして、ガスミキサー２への
燃料ガスＧの供給量を減少させる。このように、排温セ
ンサ１１により検出する排気温度の平均値が、予め設定
しておいた目標排気温度と同じ値となるように、空燃比
制御バルブ１の開度を調節し、結果的に所望の空燃比が
得られるように制御しているのである。

【００１１】次に、以上のような空燃比制御を行った場
合における平均排気温度、及び、残存酸素濃度の変化に
ついて説明する。図４において、グラフ２１は平均排気
温度の時間の経過に伴う変化を示し、グラフ２２は残存
酸素濃度の時間の経過に伴う変化を示し、グラフ２３は
目標排気温度を示している。また、空燃比制御の開始点
２５から終了点２６までを、空燃比制御範囲Ｘとしてい
る。グラフ２１で示される平均排気温度は、空燃比制御
を行っていない場合には目標排気温度よりも高いが、空
燃比制御の開始点２５から徐々に下がって、ついには平
均排気温度が目標排気温度と同じ値になり、以降、空燃
比制御範囲Ｘにおいては一定を保っている。一方、残存
酸素濃度は空燃比制御の開始点２５から、平均排気温度
の下降に伴って上昇し、平均排気温度の下降が停止して
目標排気温度と同じ値となった時点で、残存酸素濃度も
一定の値となって、以降、その状態を保持している。即
ち、空燃比制御により平均排気温度を目標排気温度と同
じ値に調節して、その状態を保持することで、空燃比が
一定の値に制御されているのである。そして、制御する
空燃比の値は、目標排気温度を変化させることで調節す
ることができる。

【００１２】さらに、空燃比制御を行っている場合に
は、図５に示すように、ガスミキサー２へ供給される燃
料ガスＧの温度、及び、空気Ａの給気温度が変化しても
空気過剰率は変化せずに一定の値を保持しており、空気
過剰率と空燃比とは比例関係にあるので、空燃比も一定
の値を保持することとなる。即ち、空燃比制御を行うこ
とで、周囲の大気条件が変化した場合においても空燃比
を所望の値に保持することができるのである。

【００１３】ここで、以上のような空燃比制御を行っ
て、空燃比をある一定の値に保持した場合における、ブ
ースト圧と給気温度の関係を図６に示す。ブースト圧３
１ａは空燃比を一定の値Ａに制御した場合の給気温度に
よるブースト圧の変化を示しており、ブースト圧３１ｂ
は空燃比を一定の値Ｂに制御した場合の給気温度による
ブースト圧の変化を示しており、ブースト圧３１ｃは空
燃比を一定の値Ｃに制御した場合の給気温度によるブー
スト圧の変化を示している。該ブースト圧３１ａ・３１
ｂ・３１ｃは給気温度が低い程高く、給気温度が高くな
る程低くなっている。そして、前記値Ａ・Ｂ・Ｃは、Ａ
＜Ｂ＜Ｃの関係を有している。即ち、ブースト圧は一定
の空燃比の下においては、給気温度が低い冬場には高
く、給気温度が高い夏場には低くなり、同一の給気温度
の下においては、空燃比が高い程ブースト圧が低く、空
燃比が低い程ブースト圧が高くなるのである。

【００１４】従って、図６の制御曲線３２で示す給気温
度とブースト圧との関係の如く、給気温度が高い場合に
は、空燃比を低くてリッチな状態に設定してブースト圧
が不足しないように確保するとともに、給気温度が低い
場合には、空燃比を高くてリーンな状態に設定してブー
スト圧が高くなり過ぎないように抑えるように構成して
いる。

【００１５】次に、スロットル開度と給気温度との関係
を図７に示す。スロットル開度３３ａは空燃比を一定の
値Ｄに制御した場合の給気温度によるスロットル開度の
変化を示しており、スロットル開度３３ｂは空燃比を一
定の値Ｅに制御した場合の給気温度によるスロットル開
度の変化を示しており、スロットル開度３３ｃは空燃比
を一定の値Ｆに制御した場合の給気温度によるスロット
ル開度の変化を示している。該スロットル開度３３ａ・
３３ｂ・３３ｃは、一定の出力を得る場合に給気温度が
低い程小さく、給気温度が高くなる程大きく調整する必
要がある。そして、前記値Ｄ・Ｅ・Ｆは、Ｄ＜Ｅ＜Ｆの
関係を有している。即ち、ある一定の出力を得ようとし
た場合に、スロットル開度は一定の空燃比の下において
は、給気温度が低い冬場には小さく、給気温度が高い夏
場には大きくなり、同一の給気温度の下においては、空
燃比が高い程スロットル開度を大きく、空燃比が低い程
スロットル開度を小さく調整する必要があるのである。

【００１６】このように、給気温度が高くなるほどスロ
ットル開度を大きく調整する必要があるが、空燃比を高
く設定した場合には空燃比を低く設定した場合に比べ
て、低い温度でスロットル開度が全開となってしまう。
例えば、図７におけるスロットル開度３３ｃがスロット
ル全開点３５に達する給気温度と、スロットル開度３３
ａがスロットル全開点３５に達する給気温度とを比較す
ると、スロットル開度３３ｃの方が低い給気温度で全開
点３５に達することになる。

【００１７】これにより、空燃比を高くてリーンな状態
に設定した場合には、夏場等における給気温度が、スロ
ットル開度が全開点３５に達する給気温度よりも高くな
り、出力不足となって燃焼が不安定となってしまう。従
って、制御曲線３４の如く、給気温度が高くなる夏場等
においては、空燃比を低くてリッチな状態に設定して、
給気温度が高い状態でも出力不足とならずに燃焼が安定
するように構成し、逆に、給気温度が低くなる冬場等に
おいては、空燃比を高くてリーンな状態に設定するよう
に制御している。

【００１８】さらに、ＮＯｘ濃度と給気温度との関係を
図８に示す。ＮＯｘ濃度３６ａは空燃比を一定の値Ｇに
制御した場合の給気温度によるＮＯｘ濃度の変化を示し
ており、ＮＯｘ濃度３６ｂは空燃比を一定の値Ｈに制御
した場合の給気温度によるＮＯｘ濃度の変化を示してお
り、ＮＯｘ濃度３６ｃは空燃比を一定の値Ｉに制御した
場合の給気温度によるＮＯｘ濃度の変化を示している。
該ＮＯｘ濃度３６ａ・３６ｂ・３６ｃは給気温度が低い
程高く、給気温度が高くなる程低くなっている。そし
て、前記値Ｇ・Ｈ・Ｉは、Ｇ＜Ｈ＜Ｉの関係を有してい
る。即ち、ＮＯｘ濃度は一定の空燃比の下においては、
給気温度が低い冬場には高く、給気温度が高い夏場には
低くなり、同一の給気温度の下においては、空燃比が高
い程ＮＯｘ濃度が低く、空燃比が低い程ＮＯｘ濃度が高
くなるのである。

【００１９】従って、図８に示す制御曲線３７の如く、
夏場等の給気温度が高い状態においてはＮＯｘ濃度は低
いので、空燃比を低いリッチな状態に設定し、冬場等の
給気温度が低い状態においてはＮＯｘ濃度が高くなるの
で、空燃比を高いリーンな状態に設定してＮＯｘ濃度を
できるだけ低く抑えるように構成している。

【００２０】以上のように、本希薄燃焼ガス機関におい
ては、給気温度が低い状態である場合に空燃比を高いリ
ーンな状態に設定し、給気温度が高い状態である場合に
空燃比を低いリッチな状態に設定するような空燃比制御
を行っているが、この空燃比制御は、前述の如く、排温
センサ１１で検出した排気温度に基づいて行い、制御す
る空燃比の値は、目標排気温度を変化させることにより
調節するようにしている。また、空燃比制御を行うため
の前記目標排気温度は、給気温度に基づいて変化させて
おり、例えば、次式により算出して決定している。即
ち、（目標排気温度）＝ｋ＊（給気温度）＋ｃ（ｋ及び
ｃは定数）により目標排気温度を求めている。これによ
り、給気温度に応じた空燃比に設定することが可能とな
っている。

【００２１】このように、本希薄燃焼ガス機関において
は、検出した排気温度に基づいて空燃比制御を行うよう
に構成し、給気温度が高い場合の空燃比を、該給気温度
が低い場合の空燃比よりも低く設定することにより、給
気温度が高い場合にはブースト圧が不足しないように確
保するとともに、給気温度が低い場合にはブースト圧が
高くなり過ぎないように抑えることができる。これによ
り、高効率の過給機を機関に付設することも可能とな
る。また、給気温度が高い場合においても、出力不足と
ならずに燃焼が安定するように構成することができる。
さらに、給気温度が低い状態においても、ＮＯｘ濃度を
低く抑えることが可能となるのである。

【００２２】

【発明の効果】本発明は以上の如く構成したので、次の
ような効果を奏するのである。即ち、請求項１記載の如
く、検出した排気温度に基づいて空燃比制御を行い、該
空燃比制御により制御される空燃比が、給気温度が高い
場合には、該給気温度が低い場合よりも低くなるように
設定したので、給気温度が高い場合にはブースト圧が不
足しないように確保するとともに、給気温度が低い場合
にはブースト圧が高くなり過ぎないように抑えることが
できた。これにより、高効率の過給機を機関に付設する
ことも可能となった。また、給気温度が高い場合におい
ても、出力不足とならずに燃焼が安定するように構成す
ることができた。さらに、給気温度が低い状態において
も、ＮＯｘ濃度を低く抑えることが可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の希薄燃焼ガス機関における給排気系を
示す図である。

【図２】排気温度と残存酸素濃度との関係を示す図であ
る。

【図３】空燃比制御のフローを示す図である。

【図４】空燃比制御を行った場合における平均排気温度
及び残存酸素濃度の変化を示す図である。

【図５】空燃比制御を行った場合における燃料ガス温度
及び給気温度と空気過剰率との関係を示す図である。

【図６】空燃比の設定値による給気温度とブースト圧と
の関係の違い及び空燃比制御を行った場合における給気
温度とブースト圧との関係を示す図である。

【図７】空燃比の設定値による給気温度とスロットル開
度との関係の違い及び空燃比制御を行った場合における
給気温度とスロットル開度との関係を示す図である。

【図８】空燃比の設定値による給気温度とＮＯｘ濃度と
の関係の違い及び空燃比制御を行った場合における給気
温度とＮＯｘ濃度との関係を示す図である。

【図９】従来の希薄燃焼ガス機関において空燃比を一定
にした場合の給気温度とブースト圧との関係を示す図で
ある。

【図１０】同じく希薄燃焼ガス機関において空燃比を一
定にした場合の給気温度とブースト圧との関係を示す図
である。

【符号の説明】

Ａ空気Ｇ燃料ガスＥ排気１空燃比制御バルブ２ガスミキサー５給気圧センサ８機関１１排温センサ１２給気管１５過給機２１（平均排気温度の時間の経過に伴う変化を示す）
グラフ２３（目標排気温度を示す）グラフ３１ａ・３１ｂ・３１ｃ（空燃比を一定の値Ａ・Ｂ・
Ｃに制御した場合の）ブースト圧３２（空燃比制御を行った場合の給気温度とブースト
圧との関係を示す）制御曲線３３ａ・３３ｂ・３３ｃ（空燃比を一定の値Ｄ・Ｅ・
Ｆに制御した場合の）スロットル開度３４（空燃比制御を行った場合の給気温度とスロット
ル開度との関係を示す）制御曲線３６ａ・３６ｂ・３６ｃ（空燃比を一定の値Ｇ・Ｈ・
Ｉに制御した場合の）ＮＯｘ濃度３７（空燃比制御を行った場合の給気温度とＮＯｘ濃
度との関係を示す）制御曲線

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】希薄燃焼ガス機関において、検出した排
気温度に基づいて空燃比制御を行い、該空燃比制御によ
り制御される空燃比が、給気温度が高い場合には、該給
気温度が低い場合よりも低くなるように設定したことを
特徴とする希薄燃焼ガス機関。