WO2009130950A1 - ガスエンジン - Google Patents

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WO2009130950A1
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engine
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mixture
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良一 萩原
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ヤンマー株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a gas engine that appropriately maintains the NOx concentration in exhaust gas.
  • a gas engine is known as an engine that supplies a mixture of air and fuel gas to a combustion chamber. Also known is air-fuel ratio control that realizes a reduction in the concentration of NOx in the exhaust gas by controlling the air-fuel ratio of the gas engine to the lean limit.
  • the engine disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2008-038729 includes a lean burn sensor, recognizes the oxygen concentration measured by the lean burn sensor, performs air-fuel ratio control, and reduces the NOx concentration in the exhaust gas. It is configured.
  • the present invention has been made in view of the above situation, and is to provide a gas engine capable of appropriately maintaining the NOx concentration in the exhaust gas regardless of the fuel gas composition.
  • the gas engine of the present invention includes a fuel gas supply amount adjusting means for adjusting a fuel gas supply amount, an engine speed detecting means for detecting an engine speed, an engine load detecting means for detecting an engine load, and an appropriate fuel gas. And a control means for adjusting the fuel gas supply amount adjusting means so as to calculate the supply amount and supply the appropriate fuel gas supply amount.
  • the control means includes at least the engine speed and the engine. Recognizing the load, the temperature difference of the combustion chamber in the combustion stroke of one combustion cycle is calculated, the NOx concentration in the exhaust gas is calculated based on the temperature difference, and the appropriate fuel gas supply amount is calculated based on the NOx concentration And the fuel gas supply amount adjusting means is adjusted so as to supply the appropriate fuel gas supply amount.
  • the gas engine of the present invention comprises a mixture temperature detecting means for detecting the mixture temperature, a mixture pressure detecting means for detecting the mixture pressure, and a throttle opening degree detecting means for detecting the throttle opening degree,
  • the control means recognizes at least the engine speed, the engine load, the mixture temperature, the mixture pressure, and the throttle opening, and calculates the temperature difference of the combustion chamber in the combustion stroke of one combustion cycle.
  • the fuel gas temperature detecting means for detecting the fuel gas temperature
  • the fuel gas pressure detecting means for detecting the fuel gas pressure
  • the air mass flow detecting means for detecting the air mass flow
  • the fuel gas Fuel gas supply amount detection means for detecting the fuel gas supply amount of the supply amount adjusting means
  • the control means includes at least the engine speed, the engine load, the fuel gas temperature, the fuel gas pressure, the air mass flow rate, and the fuel gas. It is preferable to recognize the supply amount and calculate the temperature difference of the combustion chamber in the combustion stroke of one combustion cycle.
  • the gas engine according to the present invention comprises a mixture flow rate detecting means for detecting a mixture flow rate, and the control means recognizes at least the engine speed, the engine load, and the mixture flow rate, and burns in one combustion cycle. It is preferable to calculate the temperature difference of the combustion chamber in the stroke.
  • the mixture temperature detecting means for detecting the mixture temperature
  • the mixture pressure detecting means for detecting the mixture pressure
  • the throttle opening detecting means for detecting the throttle opening
  • An in-cylinder pressure detecting means for detecting an in-cylinder pressure
  • an exhaust gas temperature detecting means for detecting an exhaust gas temperature
  • the control means calculates the NOx concentration in the exhaust gas based on the temperature difference.
  • it recognizes at least the engine speed, engine load, mixture temperature, mixture pressure, throttle opening, in-cylinder pressure and exhaust gas temperature, and calculates the maximum temperature of the combustion chamber in the combustion stroke of one combustion cycle. It is preferable to calculate the NOx concentration in the exhaust gas based on the maximum temperature.
  • the NOx concentration in the exhaust gas can be properly maintained regardless of the fuel gas composition.
  • FIG. 1 is a configuration diagram illustrating a configuration of a gas engine according to Embodiment 1.
  • FIG. 3 is a configuration diagram illustrating a configuration of a gas engine according to a second embodiment.
  • FIG. 6 is a configuration diagram illustrating a configuration of a gas engine according to a fourth embodiment. The flowchart which similarly shows air-fuel ratio control.
  • Embodiments 1 to 3 are gas engines 101, 102, and 103 that calculate the NOx concentration based on the temperature difference of the combustion chamber in the combustion stroke of one combustion cycle, and the methods for calculating the NOx concentration are different. It is.
  • the fourth embodiment is a gas engine 104 that calculates the NOx concentration based on the maximum temperature of the combustion chamber in the combustion stroke of one combustion cycle.
  • the gas engine 101 includes an engine body 10 and an Electronic Control Unit (hereinafter referred to as ECU) 90 as control means.
  • ECU Electronic Control Unit
  • the engine body 10 includes an air supply path, an exhaust path, and a fuel gas supply path.
  • the engine body 10 is a three-cylinder gas engine that uses a gaseous fuel gas such as natural gas, and includes three cylinders including the illustrated cylinder.
  • the engine body 10 is an engine mounted on an engine-driven heat pump.
  • the air supply path includes an air supply pipe 20 that supplies an air-fuel mixture generated by mixing air taken in from the outside and fuel gas, and a venturi 21 that generates a differential pressure between the fuel gas and air in the fuel gas supply path. And a throttle valve 22 for adjusting the supply amount of the air-fuel mixture.
  • the exhaust path includes an exhaust pipe 30 in the exhaust gas for the exhaust gas generated when the air-fuel mixture burns in a combustion chamber 15 described later.
  • the fuel gas supply path includes a fuel gas supply pipe 40 that supplies fuel gas to the air supply path, and a fuel gas supply that adjusts the amount of fuel gas that passes through the fuel gas supply pipe 40, that is, the amount of fuel gas contained in the mixture. And a fuel gas supply amount adjusting valve 45 as an amount adjusting means.
  • the engine body includes a combustion chamber 15 that is a space for burning an air-fuel mixture, an air supply valve 12 that opens and closes the air supply pipe 20 and the combustion chamber 15 by performing an opening / closing operation in the cylinder head 11, and a combustion chamber
  • a spark plug 14 that generates sparks for burning the air-fuel mixture supplied to the fuel 15
  • a piston 16 that reciprocates in the vertical direction when the air-fuel mixture supplied to the combustion chamber 15 burns and expands
  • a crankshaft 17 that rotates by reciprocating motion and an exhaust valve 13 that opens or closes the exhaust pipe 30 and the combustion chamber 15 by performing an opening / closing operation in the cylinder head 11 are provided.
  • the ECU 90 is connected to an engine speed sensor 71, an engine torque sensor 72, an air-fuel mixture temperature sensor 73, an air-fuel mixture pressure sensor 74, a throttle opening sensor 75, and a fuel gas supply amount adjustment valve 45, which are sensors described later. Yes.
  • An engine speed sensor 71 as an engine speed detecting means is a sensor that is provided in the vicinity of the crankshaft 17 and can measure the engine speed Ne.
  • the engine torque sensor 72 as an engine load detecting means is a sensor provided in the vicinity of the crankshaft 17 and capable of measuring the engine torque Tq as the engine load.
  • the mixture temperature sensor 73 as the mixture temperature detection means is a sensor provided in the supply pipe 20 and capable of measuring the mixture temperature Tin.
  • the mixture pressure sensor 74 as the mixture pressure detection means is a sensor provided in the supply pipe 20 and capable of measuring the mixture pressure Pin.
  • a throttle opening sensor 75 as a throttle opening detecting means is a sensor capable of measuring the throttle opening F adjusted by the engine speed Ne.
  • the throttle opening detection means may be a throttle position sensor.
  • the ECU 90 includes a controller 50 and a storage device 60.
  • the controller 50 has a function of calculating the NOx concentration S in the exhaust gas based on the temperature difference ⁇ T of the combustion chamber 15 in the combustion stroke of one combustion cycle. Further, the controller 50 has a function of adjusting the opening of the fuel gas supply amount adjusting valve 45 to perform air-fuel ratio control.
  • the controller 50 determines the engine speed Ne by the engine speed sensor 71, the engine torque Tq by the engine torque sensor 72, and the mixture temperature Tin by the mixture temperature sensor 73.
  • the air-fuel mixture pressure Pin is read by the pressure sensor 74, and the throttle opening degree F is read by the throttle opening degree sensor 75.
  • the controller 50 calculates the volumetric efficiency ⁇ v of the air-fuel mixture from the throttle opening F based on the volumetric efficiency map.
  • the volumetric efficiency map is stored in advance in the storage device 60 as a two-dimensional map indicating the correlation between the throttle opening degree F and the volumetric efficiency ⁇ v.
  • the controller 50 calculates the air-fuel mixture flow rate Gmixv using (1-1) from the air-fuel mixture temperature Tin, the air-fuel mixture pressure Pin, the volumetric efficiency ⁇ v, the stroke volume Vs, and the engine speed Ne.
  • the stroke volume Vs is a stroke volume in which the piston 16 of the engine body 10 moves from the top dead center to the bottom dead center.
  • the controller 50 calculates the engine output P using (1-2) from the engine speed Ne and the engine torque Tq. If a sensor capable of measuring the discharge pressure (high pressure HP) of the compressor of the engine-driven heat pump is provided, the controller 50 takes into account the engine load by adding the compression efficiency and the mechanical efficiency of the refrigerant to the high pressure HP. The engine output P can also be calculated.
  • the controller 50 calculates the temperature difference ⁇ T using (1-5) from the engine output P, the air-fuel mixture density ⁇ mix, and the air-fuel mixture flow rate Gmixv.
  • (1-5) is calculated from (1-3) and (1-4).
  • the temperature difference ⁇ T is a temperature difference of the combustion chamber 15 in the combustion stroke of one combustion cycle. It has been found that the temperature difference ⁇ T has a correlation with the NOx concentration S described later.
  • H represents the in-cylinder input heat amount per unit time
  • Qmixm represents the in-cylinder input mixture heat amount per unit time.
  • the thermal efficiency ⁇ th is constant regardless of the fuel gas composition.
  • the constant volume specific heat Cv and the mixture density ⁇ mix are constant.
  • the constant volume specific heat Cv and the mixture density ⁇ mix have a correlation with the mixture temperature Tmix regardless of the fuel gas composition. Therefore, the correlation is stored in the storage device 60 in advance and calculated based on the mixture temperature Tmix. May be.
  • the controller 50 calculates calculation coefficients a, b, and c described later from the engine speed Ne and the engine torque Tq using a calculation coefficient map.
  • the controller 50 calculates the NOx concentration S using (1-6) from the temperature difference ⁇ T and the calculation coefficients a, b, and c.
  • the controller 50 calculates the target NOx concentration Sm using the target NOx concentration map from the engine speed Ne and the engine torque Tq.
  • the target NOx concentration map is stored in advance in the storage device 60 as a three-dimensional map indicating the correlation among the engine speed Ne, the engine torque Tq, and the target NOx concentration Sm.
  • the controller 50 calculates a NOx concentration deviation ⁇ S which is a deviation between the target NOx concentration Sm and the NOx concentration S.
  • the controller 50 adjusts the opening degree of the fuel gas supply amount adjustment valve 45 based on the NOx concentration deviation ⁇ S.
  • the NOx concentration in the exhaust gas can be properly maintained regardless of the fuel gas composition. Further, it is possible to calculate an inexpensive and durable NOx concentration as compared with the case of using the NOx sensor. Furthermore, the present invention can be applied even when the NOx concentration in the exhaust gas does not correspond to the engine efficiency.
  • the engine main body 10 of the gas engine 102 is the same as the engine main body 10 of the first embodiment described above, and a description thereof will be omitted.
  • An engine speed sensor 71 as an engine speed detecting means is a sensor that is provided in the vicinity of the crankshaft 17 and can measure the engine speed Ne.
  • the engine torque sensor 72 as an engine load detecting means is a sensor provided in the vicinity of the crankshaft 17 and capable of measuring the engine torque Tq as the engine load.
  • a fuel gas temperature sensor 76 as a fuel gas temperature detecting means is a sensor that is provided in the fuel gas supply pipe 40 and can measure the fuel gas temperature Tg.
  • a fuel gas pressure sensor 77 as a fuel gas pressure detecting means is a sensor provided in the fuel gas supply pipe 40 and capable of measuring the fuel gas pressure Pg.
  • the air mass flow rate sensor 78 as the air mass flow rate detecting means is a sensor that is provided in the upstream air supply pipe 20 where the fuel gas supply pipe 40 joins and can measure the air mass flow rate Gin.
  • the ECU 90 includes a controller 50 and a storage device 60.
  • the controller 50 has a function of calculating the NOx concentration S in the exhaust gas based on the temperature difference ⁇ T of the combustion chamber 15 in the combustion stroke of one combustion cycle. Further, the controller 50 has a function of adjusting the opening of the fuel gas supply amount adjusting valve 45 to perform air-fuel ratio control.
  • the controller 50 determines the engine speed Ne by the engine speed sensor 71, the engine torque Tq by the engine torque sensor 72, the fuel gas temperature Tg by the fuel gas temperature sensor 76, and the fuel gas.
  • the fuel gas pressure Pg is read by the pressure sensor 77, and the air mass flow rate Gin is read by the air mass flow rate sensor 78. Further, the controller 50 reads the opening degree Fg of the fuel gas supply amount adjusting valve 45.
  • the controller 50 calculates the fuel gas flow rate Gg based on the fuel gas flow rate map from the air mass flow rate Gin and the opening degree Fg.
  • the fuel gas flow rate map is stored in advance in the storage device 60 as a three-dimensional map indicating the correlation among the air mass flow rate Gin, the opening degree Fg, and the fuel gas flow rate Gg.
  • the controller 50 uses the fuel gas temperature Tg and the fuel gas pressure Pg to convert the fuel gas flow rate Gg to a fuel gas flow rate (standard) Ggstd that is the fuel gas flow rate in the standard state. .
  • the controller 50 calculates the air-fuel mixture flow rate Gmixv using (2-2) from the air mass flow rate Gin, the air density ⁇ in which is the air density, and the fuel gas flow rate (standard) Ggstd. That is, in the first embodiment, the mixture flow rate Gmixv is calculated from the mixture temperature Tin and the mixture pressure Pin, whereas in this embodiment, the mixture flow rate Gmixv is calculated from the fuel gas temperature Tg, the fuel gas pressure Pg, It differs in that it is calculated from the air mass flow rate Gin.
  • the controller 50 adjusts the opening degree of the fuel gas supply amount adjustment valve 45 based on the NOx concentration deviation ⁇ S.
  • the NOx concentration in the exhaust gas can be properly maintained regardless of the fuel gas composition. Further, it is possible to realize the NOx concentration calculating means 52 which is inexpensive and durable as compared with the case where the NOx sensor is used. Furthermore, the present invention can be applied even when the NOx concentration in the exhaust gas does not correspond to the engine efficiency. Furthermore, the NOx concentration can be calculated with higher accuracy than the NOx concentration calculating method of the first embodiment.
  • the engine main body 10 of the gas engine 103 is the same as the engine main body 10 of the first embodiment described above, and a description thereof will be omitted.
  • An engine speed sensor 71 as an engine speed detecting means is a sensor that is provided in the vicinity of the crankshaft 17 and can measure the engine speed Ne.
  • the engine torque sensor 72 as an engine load detecting means is a sensor provided in the vicinity of the crankshaft 17 and capable of measuring the engine torque Tq as the engine load.
  • the mixture flow rate sensor 79 as the mixture flow rate detection means is a sensor provided in the supply pipe 20 on the downstream side of the throttle valve 22 and capable of measuring the mixture flow rate Gmixv.
  • the ECU 90 includes a controller 50 and a storage device 60.
  • the controller 50 has a function of calculating the NOx concentration S in the exhaust gas based on the temperature difference ⁇ T of the combustion chamber 15 in the combustion stroke of one combustion cycle. Further, the controller 50 has a function of adjusting the opening degree of the fuel gas supply amount adjusting valve 45 to perform air-fuel ratio control.
  • the controller 50 reads the engine speed Ne by the engine speed sensor 71, the engine torque Tq by the engine torque sensor 72, and the mixture flow rate Gmixv by the mixture flow rate sensor 79.
  • the mixture gas flow rate Gmixv is calculated from the fuel gas temperature Tg, the fuel gas pressure Pg, and the like, whereas in this embodiment, the mixture gas flow rate Gmixv is detected directly from the mixture gas flow rate sensor 79. Is different.
  • the controller 50 adjusts the opening degree of the fuel gas supply amount adjustment valve 45 based on the NOx concentration deviation ⁇ S.
  • the NOx concentration in the exhaust gas can be properly maintained regardless of the fuel gas composition. Further, it is possible to realize an inexpensive and durable NOx concentration calculating means as compared with the case of using the NOx sensor. Furthermore, the present invention can be applied even when the NOx concentration in the exhaust gas does not correspond to the engine efficiency. Furthermore, the NOx concentration can be calculated with higher accuracy than the NOx concentration calculation methods of the first and second embodiments.
  • the engine main body 10 of the gas engine 104 is the same as the engine main body 10 of the first embodiment described above, and a description thereof will be omitted.
  • An engine speed sensor 81 as an engine speed detecting means is a sensor that is provided in the vicinity of the crankshaft 17 and can measure the engine speed Ne.
  • the engine speed sensor 81 is a sensor capable of measuring a pulse signal for each predetermined angle of a gear rotating synchronously with the crankshaft 17 and measuring the crank angle ⁇ at the engine speed Ne.
  • the engine torque sensor 72 as an engine load detecting means is a sensor provided in the vicinity of the crankshaft 17 and capable of measuring the engine torque Tq as the engine load.
  • the mixture temperature sensor 73 as the mixture temperature detection means is a sensor provided in the supply pipe 20 and capable of measuring the mixture temperature Tin.
  • the mixture pressure sensor 74 as the mixture pressure detection means is a sensor provided in the supply pipe 20 and capable of measuring the mixture pressure Pin.
  • a throttle opening sensor 75 as a throttle opening detecting means is a sensor capable of measuring the throttle opening F adjusted by the engine speed Ne.
  • the in-cylinder pressure sensor 82 as the in-cylinder pressure detecting means is a sensor capable of measuring the in-cylinder average pressure Pcyl ( ⁇ ) in the combustion chamber 15 for each crank angle ⁇ as the in-cylinder pressure in the cylinder.
  • An exhaust gas temperature sensor 83 as an exhaust gas temperature detection means is a sensor provided in the exhaust pipe 30 and capable of measuring a residual gas temperature TR as an exhaust gas temperature.
  • the ECU 90 includes a controller 50 and a storage device 60.
  • the controller 50 has a function of calculating the NOx concentration S based on the in-cylinder gas maximum temperature Tcylmax in the combustion chamber 15 in the combustion stroke of one combustion cycle. Further, the controller 50 has a function of adjusting the opening degree of the fuel gas supply amount adjusting valve 45 to perform air-fuel ratio control.
  • the controller 50 determines the engine speed Ne and the crank angle ⁇ by the engine speed sensor 81, the engine torque Tq by the engine torque sensor 72, and the mixture temperature Tin by the mixture temperature sensor 73.
  • the mixture pressure sensor 74 reads the mixture pressure Pin
  • the throttle opening sensor 75 reads the throttle opening F
  • the cylinder pressure sensor 82 reads the cylinder average pressure Pcyl ( ⁇ ).
  • the controller 50 calculates the in-cylinder gas maximum temperature Tcylmax from the in-cylinder average temperature Tcyl ( ⁇ ).
  • the in-cylinder average temperature Tcyl ( ⁇ ) is calculated using (4-1) from the in-cylinder average pressure Pcyl ( ⁇ ) at the crank angle ⁇ , the in-cylinder volume Vcyl ( ⁇ ), and the total number of moles of in-cylinder working gas. Is done.
  • the total number of moles mall of the cylinder working gas is calculated by (4-2) by the number of moles of fresh air, which is a component of the air-fuel mixture, and the number of moles of residual gas mR.
  • the number of moles of fresh air mir is calculated from the air-fuel mixture flow rate Gmixv using (4-3).
  • the number of moles mR of the residual gas is calculated from the gas components of water vapor, oxygen, carbon dioxide and nitrogen. Further, each gas component has a combustion chamber volume Vc, an in-cylinder pressure Pot at the overlap top, and a residual when the molar ratio of water vapor, oxygen, carbon dioxide, and nitrogen in the residual gas is 3: 1: 3: 3. It is calculated from the gas temperature TR using (4-5-1) to (4-5-4). At this time, the combustion chamber volume Vc is calculated from the cylinder diameter D, the crank radius R, and the compression ratio ⁇ using (4-6). On the other hand, the in-cylinder volume Vcyl ( ⁇ ) at the crank angle ⁇ in (4-1) described above is calculated from the cylinder diameter D, the crank radius R, and the compression ratio ⁇ using (4-7).
  • the controller 50 calculates the target NOx concentration Sm from the calculation coefficients a, b, and c using the in-cylinder gas maximum temperature Tcylmax instead of the temperature difference ⁇ T in S107.
  • the controller 50 adjusts the opening degree of the fuel gas supply amount adjustment valve 45 based on the NOx concentration deviation ⁇ S.
  • the NOx concentration in the exhaust gas can be properly maintained regardless of the fuel gas composition. Further, it is possible to realize the calculation of the NOx concentration which is cheaper and more durable than using the NOx sensor. Further, the present invention can be applied even when the NOx concentration in the exhaust gas does not correspond to the engine efficiency. Furthermore, the NOx concentration can be calculated with higher accuracy than the methods for calculating the NOx concentration in the first, second, and third embodiments.
  • the flow of the air-fuel ratio control means 55 in each of the above embodiments is for each cylinder, and the air-fuel ratio control is executed by averaging the temperature difference ⁇ T of each cylinder or the in-cylinder gas maximum temperature Tcylmax.
  • the present invention can be used for a gas engine.

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Abstract

燃料ガス組成にかかわらず排気ガス中のNOx濃度を適正に維持できるガスエンジンを提供することを課題とする。燃料ガス供給量を調整する燃料ガス供給量調整弁(45)と、エンジン回転数を検出するエンジン回転数センサー(71)と、エンジン負荷を検出するエンジントルクセンサー(72)と、適正な燃料ガス供給量を算出し、該適正な燃料ガス供給量前記を供給するように前記燃料ガス供給量調整手段を調整するコントローラ(50)と、を有するガスエンジン(101)において、前記コントローラ(50)は、  少なくともエンジン回転数とエンジン負荷とを認識して1燃焼サイクルの燃焼行程における燃焼室の温度差を算出し、前記温度差に基づいて排気ガス中のNOx濃度を算出し、  前記NOx濃度に基づいて適正な燃料ガス供給量を算出し、前記適正な燃料ガス供給量を供給するように前記燃料ガス供給量調整弁(45)を調整する。

Description

ガスエンジン
 本発明は、排気ガス中のNOx濃度を適正に維持するガスエンジンに関する。
 従来、ガスエンジンは、空気と燃料ガスとの混合気を燃焼室に供給するエンジンとして公知である。また、ガスエンジンの空燃比を希薄限界に制御することによって、排気ガス中のNOx濃度の低減を実現する空燃比制御も公知である。
 特開2008-038729号公報に開示されるエンジンは、リーンバーンセンサーを備え、リーンバーンセンサーにより計測される酸素濃度を認識して空燃比制御を行い、排気ガス中のNOx濃度を低減するように構成されている。
 しかし、特開2008-038729号公報に開示されるエンジンは、燃料ガスの組成が変化した場合は、排気ガス中のNOx濃度の変動を認識できないため、NOx濃度を適正に維持できない点で不利である。
 本発明は、以上の如き状況を鑑みてなされたものであり、燃料ガス組成にかかわらず排気ガス中のNOx濃度を適正に維持できるガスエンジンを提供することである。
 本発明のガスエンジンは、燃料ガス供給量を調整する燃料ガス供給量調整手段と、エンジン回転数を検出するエンジン回転数検出手段と、エンジン負荷を検出するエンジン負荷検出手段と、適正な燃料ガス供給量を算出し、該適正な燃料ガス供給量前記を供給するように前記燃料ガス供給量調整手段を調整する制御手段と、を有するガスエンジンにおいて、前記制御手段は、少なくともエンジン回転数とエンジン負荷とを認識して1燃焼サイクルの燃焼行程における燃焼室の温度差を算出し、前記温度差に基づいて排気ガス中のNOx濃度を算出し、前記NOx濃度に基づいて適正な燃料ガス供給量を算出し、前記適正な燃料ガス供給量を供給するように前記燃料ガス供給量調整手段を調整する。
 本発明のガスエンジンにおいては、混合気温度を検出する混合気温度検出手段と、混合気圧力を検出する混合気圧力検出手段と、スロットル開度を検出するスロットル開度検出手段と、を備え、前記制御手段は、少なくともエンジン回転数とエンジン負荷と混合気温度と混合気圧力とスロットル開度とを認識して1燃焼サイクルの燃焼行程における燃焼室の温度差を算出することが好ましい。
 本発明のガスエンジンにおいては、燃料ガス温度を検出する燃料ガス温度検出手段と、燃料ガス圧力を検出する燃料ガス圧力検出手段と、空気質量流量を検出する空気質量流量検出手段と、前記燃料ガス供給量調整手段の燃料ガス供給量を検出する燃料ガス供給量検出手段と、を備え、前記制御手段は、少なくともエンジン回転数とエンジン負荷と燃料ガス温度と燃料ガス圧力と空気質量流量と燃料ガス供給量とを認識して1燃焼サイクルの燃焼行程における燃焼室の温度差を算出することが好ましい。
 本発明のガスエンジンにおいては、混合気流量を検出する混合気流量検出手段と、を備え、前記制御手段は、少なくともエンジン回転数とエンジン負荷と混合気流量とを認識して1燃焼サイクルの燃焼行程における燃焼室の温度差を算出することをすることが好ましい。
 本発明のガスエンジンにおいては、混合気温度を検出する混合気温度検出手段と、混合気圧力を検出する混合気圧力検出手段と、スロットル開度を検出するスロットル開度検出手段と、気筒内の筒内圧力を検出する筒内圧力検出手段と、排気ガス温度を検出する排気ガス温度検出手段と、を備え、前記制御手段は、前記温度差に基づいて排気ガス中のNOx濃度を算出する替わりに、少なくともエンジン回転数とエンジン負荷と混合気温度と混合気圧力とスロットル開度と気筒の筒内圧力と排気ガス温度とを認識して1燃焼サイクルの燃焼行程における燃焼室の最高温度を算出し、前記該最高温度に基づいて排気ガス中のNOx濃度を算出することが好ましい。
 本発明のガスエンジンによれば、燃料ガス組成にかかわらず排気ガス中のNOx濃度を適正に維持できる。
実施形態1に係るガスエンジンの構成を示す構成図。 同じく空燃比制御を示すフロー図。 実施形態2に係るガスエンジンの構成を示す構成図。 同じく空燃比制御を示すフロー図。 実施形態3に係るガスエンジンの構成を示す構成図。 同じく空燃比制御を示すフロー図。 実施形態4に係るガスエンジンの構成を示す構成図。 同じく空燃比制御を示すフロー図。
 以下に、本発明であるガスエンジンとして、4つの実施形態を説明する。なお、実施形態1~3は、1燃焼サイクルの燃焼行程における燃焼室の温度差に基づいて、NOx濃度を算出するガスエンジン101・102・103であり、それぞれNOx濃度を算出する方法が異なるものである。また、実施形態4は、1燃焼サイクルの燃焼行程における燃焼室の最高温度に基づいて、NOx濃度を算出するガスエンジン104である。
 [実施形態1]
 図1に示すように、ガスエンジン101は、エンジン本体10と、制御手段としてのElectronic Control Unit(以下ECUと称する)90と、を備えている。
 エンジン本体10は、給気経路と、排気経路と、燃料ガス供給経路と、を備えて構成されている。エンジン本体10は、天然ガス等の気体状の燃料ガスを用いる3気筒のガスエンジンであって、図示される気筒を含めて3つの気筒を備えている。本実施形態において、エンジン本体10は、エンジン駆動式ヒートポンプに搭載されるエンジンとする。
 給気経路は、外部から取り込む空気と燃料ガスとを混合して生成した混合気を供給する給気管20と、燃料ガス供給経路内の燃料ガスと空気との間に差圧を生じさせるベンチュリ21と、混合気の供給量を調整するスロットル弁22と、を備えている。
 排気経路は、後述する燃焼室15で混合気が燃焼することにより生成する排気ガスをエンジン本体10の外部に排気ガス中の排気管30と、を備えている。
 燃料ガス供給経路は、燃料ガスを給気経路に供給する燃料ガス供給管40と、該燃料ガス供給管40を通過する燃料ガス量、すなわち混合気に含まれる燃料ガス量を調整する燃料ガス供給量調整手段としての燃料ガス供給量調整弁45と、を備えている。
 エンジン本体は、混合気を燃焼させるための空間である燃焼室15と、シリンダヘッド11において開閉動作を行うことにより給気管20と燃焼室15とを連通又は遮断する給気バルブ12と、燃焼室15に供給された混合気を燃焼させるために火花を発生する点火プラグ14と、燃焼室15に供給された混合気が燃焼し、膨張することにより上下方向に往復するピストン16と、ピストン16の往復運動により回転運動するクランク軸17と、シリンダヘッド11において開閉動作を行うことにより排気管30と燃焼室15とを連通又は遮断する排気バルブ13と、を備えている。
 ECU90は、後述する各センサーであるエンジン回転数センサー71、エンジントルクセンサー72、混合気温度センサー73、混合気圧力センサー74、スロットル開度センサー75、燃料ガス供給量調整弁45、と接続されている。
 エンジン回転数検出手段としてのエンジン回転数センサー71は、クランク軸17近傍に設けられ、エンジン回転数Neを計測可能なセンサーである。
 エンジン負荷検出手段としてのエンジントルクセンサー72は、クランク軸17近傍に設けられ、エンジン負荷としてのエンジントルクTqを計測可能なセンサーである。
 混合気温度検出手段としての混合気温度センサー73は、給気管20に設けられ、混合気温度Tinを計測可能なセンサーである。
 混合気圧力検出手段としての混合気圧力センサー74は、給気管20に設けられ、混合気圧力Pinを計測可能なセンサーである。
 スロットル開度検出手段としてのスロットル開度センサー75は、エンジン回転数Neによって調整されるスロットル開度Fを計測可能なセンサーである。なお、スロットル開度検出手段は、スロットルポジションセンサーであっても良い。
 ECU90は、コントローラ50と、記憶装置60と、を備えている。
 コントローラ50は、1燃焼サイクルの燃焼行程における燃焼室15の温度差ΔTに基づいて、排気ガス中のNOx濃度Sを算出する機能を有する。また、コントローラ50は、燃料ガス供給量調整弁45の開度を調整して空燃比制御を行う機能を有する。
 図2に示すように、S101において、コントローラ50は、エンジン回転数センサー71によってエンジン回転数Neを、エンジントルクセンサー72によってエンジントルクTqを、混合気温度センサー73によって混合気温度Tinを、混合気圧力センサー74によって混合気圧力Pinを、スロットル開度センサー75によってスロットル開度Fを読み込む。
 S102において、コントローラ50は、スロットル開度Fから体積効率マップによって、混合気の体積効率ηvを算出する。ここで、混合気においてスロットル開度Fと体積効率ηvとは、燃料ガス組成にかかわらず相関があることが分かっている。そこで、体積効率マップは、スロットル開度Fと体積効率ηvとの相関を示す2次元マップとして予め記憶装置60に記憶されている。
 S103において、コントローラ50は、混合気温度Tin、混合気圧力Pin、体積効率ηv、行程容積Vs、エンジン回転数Neから(1-1)を用いて、混合気流量Gmixvを算出する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 なお、行程容積Vsとはエンジン本体10のピストン16が上死点から下死点まで動く行程の容積である。
 S104において、コントローラ50は、エンジン回転数Ne、エンジントルクTqから(1-2)を用いて、エンジン出力Pを算出する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 なお、エンジン駆動式ヒートポンプの圧縮機の吐出圧力(高圧HP)を計測可能なセンサーが設けられていれば、コントローラ50は、高圧HPに冷媒の圧縮効率及び機械効率を加味してエンジン負荷、ひいてはエンジン出力Pを算出することもできる。
 S105において、コントローラ50は、エンジン出力P、混合気密度ρmix、混合気流量Gmixvから(1-5)を用いて、温度差ΔTを算出する。ここで、(1-5)は、(1-3)と(1-4)とから算出されるものである。
 ここで、温度差ΔTとは、1燃焼サイクルの燃焼行程における燃焼室15の温度差である。温度差ΔTは、後述するNOx濃度Sと相関があることが分かっている。また、Hは単位時間あたりの筒内投入熱量を表し、Qmixmは単位時間あたりの筒内投入混合気熱量を表している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 なお、熱効率ηthは燃料ガス組成にかかわらず一定である。また、本実施形態では、定容比熱Cv、混合気密度ρmixは一定としている。なお、定容比熱Cv、混合気密度ρmixは、燃料ガス組成にかかわらず混合気温度Tmixと相関があることから、該相関を記憶装置60に予め記憶させ、混合気温度Tmixに基づいて算出しても良い。
 S106において、コントローラ50は、エンジン回転数Ne、エンジントルクTqから演算係数マップを用いて、後述する演算係数a、b、cを算出する。
 S107において、コントローラ50は、温度差ΔT、演算係数a、b、cから(1-6)を用いて、NOx濃度Sを算出する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 S108において、コントローラ50は、エンジン回転数Ne、エンジントルクTqから目標NOx濃度マップを用いて、目標NOx濃度Smを算出する。ここで、目標NOx濃度マップは、エンジン回転数NeとエンジントルクTqと目標NOx濃度Smとの相関を示す3次元マップとして予め記憶装置60に記憶されている。
 S109において、コントローラ50は、目標NOx濃度SmとNOx濃度Sとの偏差であるNOx濃度偏差ΔSを算出する。
 S110において、コントローラ50は、NOx濃度偏差ΔSに基づいて、燃料ガス供給量調整弁45の開度を調整する。
 このような構成とすることで、燃料ガス組成にかかわらず排気ガス中のNOx濃度を適正に維持できる。また、NOxセンサーを用いる場合に比較して、安価でかつ耐久性のあるNOx濃度を算出できる。さらに、排気ガス中のNOx濃度とエンジン効率とが対応しない場合であっても適用できる。
 [実施形態2]
 図3に示すように、ガスエンジン102のエンジン本体10は、上述した実施形態1のエンジン本体10と同様であるため、説明を省略する。
 エンジン回転数検出手段としてのエンジン回転数センサー71は、クランク軸17近傍に設けられ、エンジン回転数Neを計測可能なセンサーである。
 エンジン負荷検出手段としてのエンジントルクセンサー72は、クランク軸17近傍に設けられ、エンジン負荷としてのエンジントルクTqを計測可能なセンサーである。
 燃料ガス温度検出手段としての燃料ガス温度センサー76は、燃料ガス供給管40に設けられ、燃料ガス温度Tgを計測可能なセンサーである。
 燃料ガス圧力検出手段としての燃料ガス圧力センサー77は、燃料ガス供給管40に設けられ、燃料ガス圧力Pgを計測可能なセンサーである。
 空気質量流量検出手段としての空気質量流量センサー78は、燃料ガス供給管40が合流する上流側の給気管20に設けられ、空気質量流量Ginを計測可能なセンサーである。
 ECU90は、コントローラ50と、記憶装置60と、を備えている。
 コントローラ50は、1燃焼サイクルの燃焼行程における燃焼室15の温度差ΔTに基づいて、排気ガス中のNOx濃度Sを算出する機能を有する。また、コントローラ50は、燃料ガス供給量調整弁45の開度を調整して空燃比制御を行う機能を有する。
 図4に示すように、S201において、コントローラ50は、エンジン回転数センサー71によってエンジン回転数Neを、エンジントルクセンサー72によってエンジントルクTqを、燃料ガス温度センサー76によって燃料ガス温度Tgを、燃料ガス圧力センサー77によって燃料ガス圧力Pgを、空気質量流量センサー78によって空気質量流量Ginを読み込む。
 また、コントローラ50は、燃料ガス供給量調整弁45の開度Fgを読み込む。
 S202において、コントローラ50は、空気質量流量Gin、開度Fgから燃料ガス流量マップに基づいて、燃料ガス流量Ggを算出する。ここで、燃料ガス流量マップは、空気質量流量Ginと開度Fgと燃料ガス流量Ggとの相関を示す3次元マップとして予め記憶装置60に記憶されている。
 S203において、コントローラ50は、燃料ガス温度Tg、燃料ガス圧力Pgから、(2-1)を用いて、燃料ガス流量Ggを標準状態の燃料ガス流量である燃料ガス流量(標準)Ggstdに換算する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
 S204において、コントローラ50は、空気質量流量Gin、空気の密度である空気密度ρin、燃料ガス流量(標準)Ggstdから、(2-2)を用いて、混合気流量Gmixvを算出する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
 つまり、実施形態1では混合気流量Gmixvを、混合気温度Tin、混合気圧力Pinから算出しているのに対し、本実施形態では、混合気流量Gmixvを燃料ガス温度Tg、燃料ガス圧力Pg、空気質量流量Ginから算出している点で異なる。
 S205~S210までは実施形態1のS104~S109までと同様であるため、説明を省略する。
 S211において、コントローラ50は、NOx濃度偏差ΔSに基づいて、燃料ガス供給量調整弁45の開度を調整する。
 このような構成とすることで、燃料ガス組成にかかわらず排気ガス中のNOx濃度を適正に維持できる。また、NOxセンサーを用いる場合と比較して、安価でかつ耐久性のあるNOx濃度算出手段52を実現できる。さらに、排気ガス中のNOx濃度とエンジン効率とが対応しない場合であっても適用できる。さらに、実施形態1のNOx濃度の算出方法に比較して、精度良くNOx濃度を算出できる。
 [実施形態3]
 図5に示すように、ガスエンジン103のエンジン本体10は、上述した実施形態1のエンジン本体10と同様であるため、説明を省略する。
 エンジン回転数検出手段としてのエンジン回転数センサー71は、クランク軸17近傍に設けられ、エンジン回転数Neを計測可能なセンサーである。
 エンジン負荷検出手段としてのエンジントルクセンサー72は、クランク軸17近傍に設けられ、エンジン負荷としてのエンジントルクTqを計測可能なセンサーである。
 混合気流量検出手段としての混合気流量センサー79は、スロットル弁22の下流側の給気管20に設けられ、混合気流量Gmixvを計測可能なセンサーである。
 ECU90は、コントローラ50と、記憶装置60と、を備えている。
 コントローラ50は、1燃焼サイクルの燃焼行程における燃焼室15の温度差ΔTに基づいて、排気ガス中のNOx濃度Sを算出する機能を有する。また、コントローラ50は、燃料ガス供給量調整弁45の開度を調整して空燃比制御を行う機能を有する。
 図6に示すように、S301において、コントローラ50は、エンジン回転数センサー71によってエンジン回転数Neを、エンジントルクセンサー72によってエンジントルクTqを、混合気流量センサー79によって混合気流量Gmixvを読み込む。
 S302~S307までは実施形態2のS205~S210までと同様であるため、説明を省略する。ただし、実施形態2では混合気流量Gmixvを、燃料ガス温度Tg、燃料ガス圧力Pg等から算出しているのに対し、本実施形態では、混合気流量Gmixvを混合気流量センサー79から直接検出している点で異なる。
 S308において、コントローラ50は、NOx濃度偏差ΔSに基づいて、燃料ガス供給量調整弁45の開度を調整する。
 このような構成とすることで、燃料ガス組成にかかわらず排気ガス中のNOx濃度を適正に維持できる。また、NOxセンサーを用いる場合に比較して、安価でかつ耐久性のあるNOx濃度算出手段を実現できる。さらに、排気ガス中のNOx濃度とエンジン効率とが対応しない場合であっても適用できる。さらに、実施形態1及び2のNOx濃度の算出方法に比較して、精度良くNOx濃度を算出できる。
 [実施形態4]
 図7に示すように、ガスエンジン104のエンジン本体10は、上述した実施形態1のエンジン本体10と同様であるため、説明を省略する。
 エンジン回転数検出手段としてのエンジン回転数センサー81は、クランク軸17近傍に設けられ、エンジン回転数Neを計測可能なセンサーである。また、エンジン回転数センサー81は、クランク軸17と同期回転する歯車の所定角度毎のパルス信号を計測し、エンジン回転数Neにおけるクランク角θを計測可能なセンサーである。
 エンジン負荷検出手段としてのエンジントルクセンサー72は、クランク軸17近傍に設けられ、エンジン負荷としてのエンジントルクTqを計測可能なセンサーである。
 混合気温度検出手段としての混合気温度センサー73は、給気管20に設けられ、混合気温度Tinを計測可能なセンサーである。
 混合気圧力検出手段としての混合気圧力センサー74は、給気管20に設けられ、混合気圧力Pinを計測可能なセンサーである。
 スロットル開度検出手段としてのスロットル開度センサー75は、エンジン回転数Neによって調整されるスロットル開度Fを計測可能なセンサーである。
 筒内圧力検出手段としての筒内圧力センサー82は、気筒内の筒内圧力としてのクランク角θ毎の燃焼室15の筒内平均圧力Pcyl(θ)を計測可能なセンサーである。
 排気ガス温度検出手段としての排気ガス温度センサー83は、排気管30に設けられ、排気ガス温度としての残留ガス温度TRを計測可能なセンサーである。
 ECU90は、コントローラ50と、記憶装置60と、を備えている。
 コントローラ50は、1燃焼サイクルの燃焼行程における燃焼室15の筒内ガス最高温度Tcylmaxに基づいて、NOx濃度Sを算出する機能を有する。また、コントローラ50は、燃料ガス供給量調整弁45の開度を調整して空燃比制御を行う機能を有する。
 図8に示すように、S401において、コントローラ50は、エンジン回転数センサー81によってエンジン回転数Ne及びクランク角θを、エンジントルクセンサー72によってエンジントルクTqを、混合気温度センサー73によって混合気温度Tinを、混合気圧力センサー74によって混合気圧力Pinを、スロットル開度センサー75によってスロットル開度Fを、筒内圧力センサー82によって筒内平均圧力Pcyl(θ)を読み込む。
 S402~S404までは実施形態1のS102~S104までと同様であるため、説明を省略する。
 S405において、コントローラ50は、筒内ガス最高温度Tcylmaxを筒内平均温度Tcyl(θ)から算出する。筒内平均温度Tcyl(θ)は、クランク角θにおける筒内平均圧力Pcyl(θ)、筒内容積Vcyl(θ)、筒内作動ガスの全モル数mallから(4-1)を用いて算出される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
 このとき、筒内作動ガスの全モル数mallは、混合気の成分である新気のモル数mairと残留ガスのモル数mRとによって(4-2)によって算出される。また、新気のモル数mairは、混合気流量Gmixvから(4-3)を用いて算出される。他方、残留ガスのモル数mRは、水蒸気、酸素、二酸化炭素及び窒素のガス成分から算出される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
 さらに、それぞれのガス成分は、残留ガス中の水蒸気、酸素、二酸化炭素、及び窒素のモル比を3:1:3:3とすると、燃焼室容積Vc、オーバーラップトップにおける筒内圧力Pot、残留ガス温度TRから、(4-5-1)~(4-5-4)を用いて算出される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
 このとき、燃焼室容積Vcは、シリンダ直径D、クランク半径R、圧縮比εから(4-6)を用いて算出される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
 他方、上述した(4-1)におけるクランク角θにおける筒内容積Vcyl(θ)は、シリンダ直径D、クランク半径R、圧縮比εから(4-7)を用いて算出される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
 S406は、実施形態1のS106と同様であるため、説明を省略する。
 S407において、コントローラ50は、S107において温度差ΔTの代わりに筒内ガス最高温度Tcylmaxを用いて、演算係数a、b、cから目標NOx濃度Smを算出する。
 S408、S409は、実施形態1のS108、S109と同様であるため、説明を省略する。
 S410において、コントローラ50は、NOx濃度偏差ΔSに基づいて、燃料ガス供給量調整弁45の開度を調整する。
 このような構成とすることで、燃料ガス組成にかかわらず排気ガス中のNOx濃度を適正に維持できる。また、NOxセンサーを用いるよりも安価でかつ耐久性のあるNOx濃度の算出を実現できる。さらに、排気ガス中のNOx濃度とエンジン効率とが対応しない場合でも適用できる。さらに、実施形態1、2、及び3のNOx濃度の算出方法と比較して精度良くNOx濃度を算出できる。
 なお、以上の各実施形態における空燃比制御手段55のフローは各気筒におけるものであり、空燃比制御は、各気筒の温度差ΔT又は筒内ガス最高温度Tcylmaxを平均化して実行される。
 本発明は、ガスエンジンに利用可能である。

Claims (5)

  1.  燃料ガス供給量を調整する燃料ガス供給量調整手段と、
     エンジン回転数を検出するエンジン回転数検出手段と、
     エンジン負荷を検出するエンジン負荷検出手段と、
     適正な燃料ガス供給量を算出し、該適正な燃料ガス供給量前記を供給するように前記燃料ガス供給量調整手段を調整する制御手段と、
     を有するガスエンジンにおいて、
     前記制御手段は、
     少なくともエンジン回転数とエンジン負荷とを認識して1燃焼サイクルの燃焼行程における燃焼室の温度差を算出し、
     前記温度差に基づいて排気ガス中のNOx濃度を算出し、
     前記NOx濃度に基づいて適正な燃料ガス供給量を算出し、
     前記適正な燃料ガス供給量を供給するように前記燃料ガス供給量調整手段を調整することを特徴とするガスエンジン。
  2.  混合気温度を検出する混合気温度検出手段と、
     混合気圧力を検出する混合気圧力検出手段と、
     スロットル開度を検出するスロットル開度検出手段と、
     を備え、
     前記制御手段は、
     少なくともエンジン回転数とエンジン負荷と混合気温度と混合気圧力とスロットル開度とを認識して1燃焼サイクルの燃焼行程における燃焼室の温度差を算出することを特徴とする請求項1記載のガスエンジン。
  3.  燃料ガス温度を検出する燃料ガス温度検出手段と、
     燃料ガス圧力を検出する燃料ガス圧力検出手段と、
     空気質量流量を検出する空気質量流量検出手段と、
     前記燃料ガス供給量調整手段の燃料ガス供給量を検出する燃料ガス供給量検出手段と、
     を備え、
     前記制御手段は、
     少なくともエンジン回転数とエンジン負荷と燃料ガス温度と燃料ガス圧力と空気質量流量と燃料ガス供給量とを認識して1燃焼サイクルの燃焼行程における燃焼室の温度差を算出する請求項1記載のガスエンジン。
  4.  混合気流量を検出する混合気流量検出手段と、
     を備え、
     前記制御手段は、
     少なくともエンジン回転数とエンジン負荷と混合気流量とを認識して1燃焼サイクルの燃焼行程における燃焼室の温度差を算出することを特徴とする請求項1記載のガスエンジン。
  5.  混合気温度を検出する混合気温度検出手段と、
     混合気圧力を検出する混合気圧力検出手段と、
     スロットル開度を検出するスロットル開度検出手段と、
     気筒内の筒内圧力を検出する筒内圧力検出手段と、
     排気ガス温度を検出する排気ガス温度検出手段と、
     を備え、
     前記制御手段は、
     前記温度差に基づいて排気ガス中のNOx濃度を算出する替わりに、
     少なくともエンジン回転数とエンジン負荷と混合気温度と混合気圧力とスロットル開度と気筒の筒内圧力と排気ガス温度とを認識して1燃焼サイクルの燃焼行程における燃焼室の最高温度を算出し、
     前記該最高温度に基づいて排気ガス中のNOx濃度を算出することを特徴とする請求項1記載のガスエンジン。
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