WO2019049878A1 - エンジン制御システム - Google Patents

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WO2019049878A1
WO2019049878A1 PCT/JP2018/032830 JP2018032830W WO2019049878A1 WO 2019049878 A1 WO2019049878 A1 WO 2019049878A1 JP 2018032830 W JP2018032830 W JP 2018032830W WO 2019049878 A1 WO2019049878 A1 WO 2019049878A1
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self
ignition
fuel gas
cylinder
timing
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PCT/JP2018/032830
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裕 増田
享秀 青柳
孝行 廣瀬
敬之 山田
中島　勇人
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株式会社Ihi
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    • Y02T10/30—Use of alternative fuels, e.g. biofuels

Definitions

  • the present disclosure relates to an engine control system that controls an engine according to the composition of fuel gas.
  • Patent Document 1 discloses a technology for analyzing the composition of a fuel gas and determining the presence or absence of the possibility of occurrence of knocking based on the composition of the fuel gas and the load of the engine.
  • the present disclosure aims to provide an engine control system capable of suppressing knocking while grasping the degree to knocking.
  • the engine control system of this indication is based on the 1st parameter containing composition of fuel gas, and a delay estimating part which estimates self-ignition delay, and self-ignition timing based on self-ignition delay. And a control unit for controlling the engine based on the comparison result between the self-ignition timing and the combustion completion timing.
  • the delay estimation unit estimates the self-ignition delay at a plurality of time points from the start of fuel injection to the self-ignition, and the self-ignition prediction unit determines the time when the integrated value of the reciprocal of the self-ignition delay becomes 1 or more. It may be predicted as the ignition timing.
  • the first parameter further includes an in-cylinder variable acquisition unit that acquires in-cylinder pressure and in-cylinder temperature, and the delay estimation unit estimates self-ignition delay according to in-cylinder pressure and in-cylinder temperature at a plurality of time points. It is also good.
  • the in-cylinder variable acquisition unit may estimate the in-cylinder pressure and the in-cylinder temperature based on a second parameter including the composition of the fuel gas.
  • the completion prediction unit may predict the combustion completion timing based on one of the combustion speed and in-cylinder pressure of the fuel gas and the injection amount of the fuel gas.
  • the control unit may change at least one of the intake temperature, the intake pressure, the fuel gas injection amount, the fuel injection timing, and the compression ratio.
  • FIG. 1 is a view showing a schematic configuration of a gas engine (engine).
  • FIG. 2 is a functional block diagram of an engine control system.
  • FIG. 3 is a view showing an example of a change in in-cylinder pressure.
  • FIG. 4A is a diagram showing an example of the calorific value due to the combustion of the fuel gas.
  • FIG. 4B is a diagram showing an example of the integrated value of the calorific value due to the combustion of the fuel gas.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining the process of the operation control unit.
  • FIG. 6 is a flowchart showing the flow of the engine control process.
  • FIG. 1 is a view showing a schematic configuration of a gas engine 100 (engine).
  • the intake port 104a, the exhaust port 104b, and the fuel injection nozzle 116 are illustrated on the same cross section. However, the intake port 104a, the exhaust port 104b, and the fuel injection nozzle 116 may not be located on the same cross section.
  • the gas engine 100 includes a cylinder 102, a cylinder head 104, and a piston 106.
  • the piston 106 is housed in the cylinder 102.
  • a combustion chamber 108 is formed by the cylinder 102, the cylinder head 104 and the piston 106.
  • An intake port 104 a and an exhaust port 104 b are formed in the cylinder head 104.
  • the intake port 104 a and the exhaust port 104 b open to the combustion chamber 108.
  • the intake valve 110a opens and closes an opening on the combustion chamber 108 side of the intake port 104a.
  • the exhaust valve 110 b opens and closes an opening on the combustion chamber 108 side of the exhaust port 104 b.
  • the intake pipe 112a is connected to the intake port 104a.
  • the intake air is guided to the intake pipe 112a.
  • the intake air flows into the combustion chamber 108 through the intake pipe 112 a and the intake port 104 a.
  • the exhaust pipe 112b is connected to the exhaust port 104b.
  • the exhaust gas discharged from the combustion chamber 108 to the exhaust port 104b is discharged to the outside through the exhaust pipe 112b.
  • the fuel gas pipe 114 is connected to a fuel tank and a fuel injection nozzle 116 (not shown).
  • the fuel gas pipe 114 is provided with a gas composition sensor 210 described later.
  • the fuel injection nozzle 116 is provided on the cylinder head 104. The tip of the fuel injection nozzle 116 projects into the combustion chamber 108.
  • the fuel injection nozzle 116 is opened and closed by a fuel valve 116a.
  • the fuel gas pipe 114 is in communication with the combustion chamber 108 via the fuel injection nozzle 116. Fuel gas is introduced from the fuel tank to the fuel gas pipe 114, and when the fuel injection nozzle 116 is opened by the fuel valve 116a, the fuel gas is injected into the combustion chamber 108.
  • fuel gas shall be produced by gasifying LNG (liquefied natural gas), for example.
  • LNG liquefied natural gas
  • the fuel gas is not limited to LNG, and for example, gas obtained by gasifying LPG (liquefied petroleum gas), light oil, heavy oil or the like can also be applied.
  • LPG liquefied petroleum gas
  • the gas engine 100 is, for example, a four-stroke engine.
  • the intake stroke the intake valve 110a is opened and the exhaust valve 110b is closed.
  • the piston 106 goes to the bottom dead center.
  • the intake air flows into the combustion chamber 108 from the intake port 104a.
  • the compression stroke the intake valve 110a and the exhaust valve 110b close.
  • the piston 106 moves to the top dead center, and the mixture is compressed.
  • Fuel is injected from the fuel injection nozzle 116 into the combustion chamber 108.
  • the fuel gas air-fuel mixture
  • the intake valve 110a is closed and the exhaust valve 110b is opened.
  • the piston 106 goes to the top dead center. Exhaust gas after combustion is discharged from the combustion chamber 108 through the exhaust port 104 b.
  • FIG. 2 is a functional block diagram of engine control system 200. As shown in FIG. 2, the engine control system 200 includes a gas composition sensor 210 and an engine control device 220.
  • the gas composition sensor 210 is composed of, for example, a gas chromatography, an infrared spectroscopic sensor, and a combined sensor module including a hydrogen sensor, and measures the composition of the fuel gas flowing through the fuel gas pipe 114.
  • the measurement result by the gas composition sensor 210 is output, for example, once every hour or so.
  • the composition of the fuel gas is indicated, for example, as a content ratio of each component.
  • the engine control device 220 is configured of, for example, an ECU (Engine Control Unit).
  • the engine control device 220 includes a central processing unit (CPU), a ROM storing programs and the like, a RAM as a work area, and the like, and controls the entire gas engine 100. Further, the engine control device 220 functions as an in-cylinder variable acquisition unit 230, a delay estimation unit 232, a self-ignition prediction unit 234, a completion prediction unit 236, and an operation control unit 238.
  • the in-cylinder variable acquisition unit 230 acquires the pressure in the cylinder 102 (in-cylinder pressure) and the temperature in the cylinder 102 (in-cylinder temperature). Specifically, the in-cylinder variable acquisition unit 230 derives the in-cylinder pressure and the in-cylinder temperature based on the in-cylinder acquisition parameter (second parameter).
  • the in-cylinder acquisition parameters include the operating conditions (intake temperature, intake pressure, fuel gas injection amount (air-fuel mixture concentration), fuel injection timing, compression ratio) of the gas engine 100, and the composition of the fuel gas. However, at least the composition of the fuel gas may be included as the in-cylinder acquisition parameter.
  • the intake air temperature and the intake pressure may be, for example, values measured by a temperature sensor or a pressure sensor.
  • the intake air temperature and the intake air pressure may be, for example, estimated values estimated based on operating conditions of a supercharger (compressor) that compresses intake air and a cooler that cools intake air.
  • the response surface of the combustion rate is stored in advance.
  • the response surface of the burning rate is a burning velocity of the fuel gas associated with a plurality of parameters including the pressure in the cylinder, the temperature in the cylinder, the composition of the fuel gas, and the injection amount (mixture concentration) of the fuel gas.
  • the composition of the fuel gas for example, patterns of combinations of content ratios of the respective components are registered in advance, and the closest pattern is identified based on the measured composition of the fuel gas.
  • the response surface of the burning rate may be, for example, a plurality of map types or a functional model.
  • the in-cylinder variable acquisition unit 230 derives (estimates) the combustion velocity of the fuel gas from the response surface of the combustion velocity and the in-cylinder acquisition parameter. Then, the in-cylinder variable acquisition unit 230 derives the in-cylinder pressure and the in-cylinder temperature based on the burning rate of the fuel gas and the operating condition of the gas engine 100.
  • FIG. 3 is a view showing an example of a change in in-cylinder pressure.
  • the in-cylinder variable acquisition unit 230 derives the in-cylinder pressure and the in-cylinder temperature at a plurality of time points in a predetermined period.
  • the predetermined period is, for example, a period after closing the intake valve 110a and the exhaust valve 110b until the exhaust valve 110b is opened beyond the top dead center (TDC).
  • the intervals between the plurality of time points are, for example, 0.1 degree in crank angle.
  • the above-described intake pressure and intake temperature are set as initial values of the in-cylinder pressure and the in-cylinder temperature before compression, respectively.
  • the in-cylinder pressure and the in-cylinder temperature after compression are derived using the set compression ratio.
  • the combustion speed is derived from the derived in-cylinder acquisition parameter including the in-cylinder pressure and the in-cylinder temperature at the time of ignition, and the response surface of the combustion rate.
  • the combustion amount of the fuel to be burned by the next time of ignition is derived by the derived combustion speed
  • the in-cylinder pressure of the next time of ignition is derived from the amount of combustion.
  • the in-cylinder temperature is derived from the derived in-cylinder pressure and combustion amount (heat generation amount).
  • the combustion speed at the next time of ignition is derived from the in-cylinder acquisition parameter including the in-cylinder pressure and the in-cylinder temperature, and the response surface of the combustion speed.
  • the in-cylinder variable acquisition unit 230 derives the in-cylinder pressure and the in-cylinder temperature transition (in-cylinder pressure history, in-cylinder temperature history) according to the crank angle.
  • the delay estimation unit 232 estimates the self-ignition delay based on the delay parameter (first parameter).
  • the delay parameters include in-cylinder pressure, in-cylinder temperature, fuel gas injection amount (mixture concentration), and composition of the fuel gas.
  • the self-ignition delay is the time from the start of fuel injection to self-ignition.
  • the response surface of the self-ignition delay is stored in advance.
  • the response surface of the self-ignition delay is obtained by associating the self-ignition delay with a plurality of parameters including the in-cylinder pressure, the in-cylinder temperature, the composition of the fuel gas, and the injection amount (mixture concentration of fuel gas) of the fuel gas.
  • the composition of the fuel gas as described above, for example, patterns of combinations of content ratios of the respective components are registered in advance, and the closest pattern is identified based on the measured composition of the fuel gas.
  • the response surface of the self-ignition delay may be, for example, a plurality of map types or a functional model.
  • the delay estimation unit 232 derives (estimates) the self-ignition delay based on the response surface of the self-ignition delay and the delay parameter.
  • the in-cylinder variable acquisition unit 230 derives the transition of the in-cylinder pressure and the in-cylinder temperature according to the crank angle.
  • the delay estimation unit 232 derives the self-ignition delay at a plurality of time points (crank angles) using the in-cylinder pressure and the in-cylinder temperature at that time.
  • the self-ignition prediction unit 234 sequentially integrates the reciprocals of the self-ignition delay derived by the delay estimation unit 232 in time series.
  • the self-ignition prediction unit 234 predicts, as the self-ignition timing, a time when the integrated value becomes 1 or more.
  • Such predictive calculation of the self-ignition timing by integration of the reciprocal of the self-ignition delay is said to be Livengood-Wu integral, and is represented by the following Equation 1. ... (Equation 1)
  • time is variable t
  • auto ignition timing is variable te
  • auto ignition delay is variable ⁇
  • in-cylinder pressure is variable P
  • in-cylinder temperature is variable T.
  • the completion prediction unit 236 predicts the combustion completion timing of the fuel gas at which the fuel gas supplied to the combustion chamber 108 burns off. Specifically, the completion prediction unit 236 predicts the combustion completion timing based on the combustion speed of the fuel gas and the injection amount of the fuel gas.
  • the completion prediction unit 236 estimates the distribution (volume) of the mixture of the fuel gas and the intake air in the combustion chamber 108 based on the injection amount of the fuel gas and the in-cylinder pressure. The completion prediction unit 236 estimates, based on the burning rate of the fuel gas, the time when the burning portion reaches the entire mixture, and uses this as the burning completion timing of the fuel gas.
  • the completion prediction unit 236 may predict the combustion completion timing based on the in-cylinder pressure and the injection amount of the fuel gas.
  • FIG. 4A is a diagram showing an example of the calorific value due to the combustion of the fuel gas.
  • FIG. 4B is a diagram showing an example of the integrated value of the calorific value due to the combustion of the fuel gas.
  • the calorific value can be estimated based on the energy balance of the gas inside the cylinder 102.
  • the completion prediction unit 236 derives the calorific value associated with the combustion of the fuel gas every hour based on the in-cylinder pressure and the in-cylinder temperature.
  • the completion prediction unit 236 integrates the amount of heat generation associated with the combustion of the fuel gas every hour (integrated heat generation amount).
  • the completion prediction unit 236 sets the time when the integrated heating value exceeds the threshold as the combustion completion timing.
  • the threshold value is set to, for example, 95% of the total amount of calorific value generated when all the injected fuel gas burns.
  • the completion prediction unit 236 may predict the combustion completion timing based on the in-cylinder pressure and the injection amount of the fuel gas.
  • the operation control unit 238 compares the self-ignition timing predicted by the self-ignition prediction unit 234 with the combustion completion timing predicted by the completion prediction unit 236.
  • the operation control unit 238 controls the gas engine 100 based on the comparison result.
  • the operation control unit 238 changes the operating conditions of the gas engine 100.
  • the operation control unit 238 changes, for example, the intake temperature, the intake pressure, the fuel gas injection amount (air-fuel mixture concentration), the fuel injection timing, and the compression ratio described above as the operation conditions. Specifically, the operation control unit 238 may control the cooler to change the intake air temperature. The operation control unit 238 may control the supercharger (compressor) to change the intake pressure. The operation control unit 238 may change the open / close timing of the fuel valve 116 a to change the injection amount of fuel gas or the fuel injection timing, or change the ignition timing. The operation control unit 238 may change the open / close timing of the intake valve 110a and the exhaust valve 110b by a variable valve mechanism.
  • the self-ignition timing is after the combustion completion timing, it is estimated that knocking does not occur. If the self-ignition timing is earlier than the combustion completion timing, it is estimated that knocking occurs.
  • the operation control unit 238 changes the operation condition to improve the efficiency of the gas engine 100 within a range where knocking does not occur according to the time difference between the self-ignition timing and the combustion completion timing.
  • the self-ignition timing is earlier than the combustion completion timing, and the time difference between the self-ignition timing and the combustion completion timing is large. In this case, it is estimated that knocking can not be avoided unless the operating conditions are largely relaxed (to the direction in which knocking hardly occurs). Conversely, it is assumed that the time difference between the self-ignition timing and the combustion completion timing is small. In this case, it is presumed that knocking can be avoided without reducing the operating conditions so much (to the extent that knocking is less likely to occur).
  • the operation control unit 238 changes the operating condition to a direction in which knocking is less likely to occur, while suppressing the decrease in the efficiency of the gas engine 100 according to the time difference between the self-ignition timing and the combustion completion timing.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining the process of the operation control unit 238.
  • the operation control unit 238 performs efficiency improvement control if the self-ignition timing is after the combustion completion timing.
  • the operation control unit 238 performs knocking suppression control if the self-ignition timing is earlier than the combustion completion timing.
  • the margin degree to the operating condition at which knocking occurs is derived as the time difference between the self-ignition timing and the combustion completion timing.
  • the operating conditions are controlled according to this time difference. Therefore, even though there is room for improving the efficiency of the gas engine 100, it is possible to avoid a situation where the operating conditions are not changed. It becomes possible to suppress knocking while grasping the degree to knocking.
  • FIG. 6 is a flowchart showing the flow of the engine control process. The process shown in FIG. 6 is repeatedly executed at predetermined intervals.
  • Step 300 The in-cylinder variable acquisition unit 230 and the delay estimation unit 232 acquire the measurement result of the (latest) fuel gas composition that was last measured by the gas composition sensor 210.
  • the in-cylinder variable acquisition unit 230 includes in-cylinder acquisition parameters (operation conditions of the gas engine 100 (intake temperature, intake pressure, fuel gas injection amount (air-fuel mixture concentration), fuel injection timing, compression ratio) and fuel gas).
  • the in-cylinder pressure and the in-cylinder temperature are derived based on the composition).
  • the delay estimation unit 232 estimates the self-ignition delay based on the delay parameters (in-cylinder pressure, in-cylinder temperature, fuel gas injection amount (air-fuel mixture concentration), and fuel gas composition).
  • Step 306 The self-ignition prediction unit 234 sequentially integrates, in time series, the reciprocal of the self-ignition delay derived by the delay estimation unit 232, and predicts, as the self-ignition timing, a time when the integrated value becomes 1 or more.
  • Step 308 The completion prediction unit 236 predicts the combustion completion timing based on one of the combustion speed and in-cylinder pressure of the fuel gas and the injection amount of the fuel gas.
  • Step 310) The operation control unit 238 compares the self-ignition timing predicted by the self-ignition prediction unit 234 with the combustion completion timing predicted by the completion prediction unit 236. The operation control unit 238 determines whether the self-ignition timing is earlier than the combustion completion timing. If the self-ignition timing is earlier than the combustion completion timing, the process proceeds to step 312, and if the self-ignition timing is after the combustion completion timing, the process proceeds to step 314.
  • Step 312 The operation control unit 238 performs knocking suppression control, and ends the engine control process.
  • Step 314 The operation control unit 238 performs the efficiency improvement control, and ends the engine control process.
  • the gas engine 100 has been described as a four-stroke engine.
  • the gas engine 100 may be a two-stroke engine.
  • the gas engine 100 may be a uniflow scavenged two-stroke engine.
  • the in-cylinder variable acquisition unit 230 derives (acquires) the in-cylinder pressure and the in-cylinder temperature by calculation.
  • knocking can be predicted before knocking occurs.
  • the cylinder 102 may be provided with a pressure sensor and a temperature sensor.
  • the in-cylinder variable acquisition unit 230 acquires, as the in-cylinder pressure and the in-cylinder temperature, output values acquired from the pressure sensor and the temperature sensor, respectively.
  • the value of the previous cycle can be used to predict knocking in the cycle of interest.
  • the point at which the measured in-cylinder pressure peaks can be used as the combustion completion timing.
  • the present disclosure can be utilized in an engine control system that controls an engine according to the composition of fuel gas.
  • gas engine (engine) 200 engine control system 230: in-cylinder variable acquisition unit 232: delay estimation unit 234: self-ignition prediction unit 236: completion prediction unit 238: operation control unit (control unit)

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Abstract

エンジン制御システム２００は、燃料ガスの組成を含む第１パラメータに基づいて、自着火遅れを推定する遅れ推定部２３２と、自着火遅れに基づいて、自着火タイミングを予測する自着火予測部２３４と、燃料ガスの燃焼完了タイミングを予測する完了予測部２３６と、自着火タイミングと燃焼完了タイミングとの比較結果に基づいて、エンジンを制御する運転制御部２３８（制御部）と、を備える。

Description

エンジン制御システム
　本開示は、燃料ガスの組成に応じてエンジンを制御するエンジン制御システムに関する。本出願は、２０１７年９月６日に提出された日本特許出願第２０１７－１７１００３号に基づく優先権の利益を主張するものであり、その内容は本出願に援用される。
　従来、気体燃料である燃料ガスを燃焼させるエンジンが普及している。このようなエンジンでは、燃料ガスの異常燃焼によるノッキングを抑制する必要がある。例えば、特許文献１では、燃料ガスの組成を分析し、燃料ガスの組成とエンジンの負荷に基づいて、ノッキングが発生する可能性の有無を判定する技術が開示されている。
特開平８－１２１２０１号公報
　上記の特許文献１に記載されたエンジンでは、例えば、エンジンの運転条件について、ノッキングが発生するまでに十分な余裕があっても、単にノッキングの発生の可能性がないとしか判定されない。
　本開示は、このような課題に鑑み、ノッキングまでの度合いを把握しつつノッキングを抑制することが可能なエンジン制御システム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に、本開示のエンジン制御システムは、燃料ガスの組成を含む第１パラメータに基づいて、自着火遅れを推定する遅れ推定部と、自着火遅れに基づいて、自着火タイミングを予測する自着火予測部と、燃料ガスの燃焼完了タイミングを予測する完了予測部と、自着火タイミングと燃焼完了タイミングとの比較結果に基づいて、エンジンを制御する制御部と、を備える。
　遅れ推定部は、燃料噴射開始から自着火までの間の複数の時点について、自着火遅れを推定し、自着火予測部は、自着火遅れの逆数の積算値が１以上となる時点を、自着火タイミングと予測してもよい。
　第１パラメータとして、筒内圧力、筒内温度を取得する筒内変数取得部をさらに備え、遅れ推定部は、複数の時点における筒内圧力、筒内温度に応じた自着火遅れを推定してもよい。
　筒内変数取得部は、燃料ガスの組成を含む第２パラメータに基づいて、筒内圧力、筒内温度を推定してもよい。
　完了予測部は、燃料ガスの燃焼速度および筒内圧力の一方と、燃料ガスの噴射量とに基づいて、燃焼完了タイミングを予測してもよい。
　制御部は、吸気温度、吸気圧力、燃料ガスの噴射量、燃料噴射タイミング、圧縮比の少なくとも一つを変更してもよい。
　本開示によれば、ノッキングまでの度合いを把握しつつノッキングを抑制することが可能となる。
図１は、ガスエンジン（エンジン）の概略的な構成を示す図である。 図２は、エンジン制御システムの機能ブロック図である。 図３は、筒内圧力の変化の一例を示す図である。 図４Ａは、燃料ガスの燃焼による発熱量の一例を示す図である。 図４Ｂは、燃料ガスの燃焼による発熱量の積算値の一例を示す図である。 図５は、運転制御部の処理を説明するための図である。 図６は、エンジン制御処理の流れを示すフローチャートである。
　以下に添付図面を参照しながら、本開示の一実施形態について詳細に説明する。実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本開示を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。また本開示に直接関係のない要素は図示を省略する。
　図１は、ガスエンジン１００（エンジン）の概略的な構成を示す図である。図１では、吸気ポート１０４ａ、排気ポート１０４ｂ、および、燃料噴射ノズル１１６を同一断面上に図示する。ただし、吸気ポート１０４ａ、排気ポート１０４ｂ、および、燃料噴射ノズル１１６は、同一断面上に位置せずともよい。
　図１に示すように、ガスエンジン１００は、シリンダ１０２、シリンダヘッド１０４、および、ピストン１０６を備える。ピストン１０６は、シリンダ１０２内に収容される。シリンダ１０２、シリンダヘッド１０４、および、ピストン１０６によって、燃焼室１０８が形成される。
　シリンダヘッド１０４には、吸気ポート１０４ａおよび排気ポート１０４ｂが形成される。吸気ポート１０４ａおよび排気ポート１０４ｂは、燃焼室１０８に開口する。吸気バルブ１１０ａは、吸気ポート１０４ａのうち、燃焼室１０８側の開口を開閉する。排気バルブ１１０ｂは、排気ポート１０４ｂのうち、燃焼室１０８側の開口を開閉する。
　吸気配管１１２ａは、吸気ポート１０４ａに接続される。吸気配管１１２ａには、吸気が導かれる。吸気配管１１２ａおよび吸気ポート１０４ａを介して、燃焼室１０８に吸気が流入する。排気配管１１２ｂは、排気ポート１０４ｂに接続される。燃焼室１０８から排気ポート１０４ｂに排出された排気は、排気配管１１２ｂを介して外部に排出される。
　燃料ガス配管１１４は、不図示の燃料タンクおよび燃料噴射ノズル１１６に接続される。燃料ガス配管１１４には、後述するガス組成センサ２１０が配される。燃料噴射ノズル１１６は、シリンダヘッド１０４に設けられる。燃料噴射ノズル１１６の先端部は、燃焼室１０８に突出する。燃料噴射ノズル１１６は、燃料バルブ１１６ａによって開閉される。燃料ガス配管１１４は、燃料噴射ノズル１１６を介して燃焼室１０８と連通している。燃料ガス配管１１４には、燃料タンクから燃料ガスが導かれており、燃料バルブ１１６ａによって燃料噴射ノズル１１６が開かれると、燃料ガスが燃焼室１０８に噴射される。
　ここで、燃料ガスは、例えば、ＬＮＧ（液化天然ガス）をガス化して生成されるものとする。燃料ガスは、ＬＮＧに限らず、例えば、ＬＰＧ（液化石油ガス）、軽油、重油等をガス化したものを適用することもできる。
　ガスエンジン１００は、例えば、４サイクルエンジンである。吸気行程において、吸気バルブ１１０ａが開弁し、排気バルブ１１０ｂが閉弁する。ピストン１０６が下死点に向かう。吸気が吸気ポート１０４ａから燃焼室１０８に流入する。圧縮行程において、吸気バルブ１１０ａおよび排気バルブ１１０ｂが閉弁する。ピストン１０６が上死点に向かい、混合気が圧縮される。燃料噴射ノズル１１６から燃焼室１０８に燃料が噴射される。燃焼行程において、燃料ガス（混合気）が自着火する。混合気が燃焼し、ピストン１０６が下死点側に押圧される。排気行程において、吸気バルブ１１０ａが閉弁し、排気バルブ１１０ｂが開弁する。ピストン１０６が上死点に向かう。燃焼後の排気ガスは、排気ポート１０４ｂを通って燃焼室１０８から排出される。
　図２は、エンジン制御システム２００の機能ブロック図である。図２に示すように、エンジン制御システム２００は、ガス組成センサ２１０、エンジン制御装置２２０を備える。
　ガス組成センサ２１０は、例えば、ガスクロマトグラフィ、赤外分光センサおよび水素センサによる複合センサモジュールなどで構成され、燃料ガス配管１１４を流通する燃料ガスの組成を測定する。ガス組成センサ２１０による測定結果は、例えば、１時間に１回程度の頻度で出力される。燃料ガスの組成は、例えば、各成分の含有比率として示される。
　エンジン制御装置２２０は、例えば、ＥＣＵ（Engine Control Unit）で構成される。エンジン制御装置２２０は、中央処理装置（ＣＰＵ）、プログラム等が格納されたＲＯＭ、ワークエリアとしてのＲＡＭ等で構成され、ガスエンジン１００全体を制御する。また、エンジン制御装置２２０は、筒内変数取得部２３０、遅れ推定部２３２、自着火予測部２３４、完了予測部２３６、運転制御部２３８として機能する。
　筒内変数取得部２３０は、シリンダ１０２内部の圧力（筒内圧力）、および、シリンダ１０２内部の温度（筒内温度）を取得する。具体的に、筒内変数取得部２３０は、筒内取得用パラメータ（第２パラメータ）に基づいて、筒内圧力および筒内温度を導出する。筒内取得用パラメータには、ガスエンジン１００の運転条件（吸気温度、吸気圧力、燃料ガスの噴射量（混合気濃度）、燃料噴射タイミング、圧縮比）と、燃料ガスの組成とが含まれる。ただし、筒内取得用パラメータとしては、少なくとも燃料ガスの組成が含まれればよい。ここで、吸気温度、吸気圧力は、例えば、温度センサや圧力センサによる実測値であってもよい。吸気温度、吸気圧力は、例えば、吸気を圧縮する過給機（コンプレッサ）や、吸気を冷却する冷却器の作動状態に基づいて推定された推定値であってもよい。
　エンジン制御装置２２０には、予め、燃焼速度の応答曲面が記憶されている。燃焼速度の応答曲面は、筒内圧力、筒内温度、燃料ガスの組成、燃料ガスの噴射量（混合気濃度）を含む複数のパラメータに、燃料ガスの燃焼速度が関連付けられたものである。燃料ガスの組成については、例えば、各成分の含有比率の組み合わせのパターンが予め登録されており、測定された燃料ガスの組成に基づいて、最も近いパターンが特定される。
　燃焼速度の応答曲面は、例えば、複数のマップ形式であってもよいし、関数モデルであってもよい。筒内変数取得部２３０は、燃焼速度の応答曲面と、筒内取得用パラメータによって、燃料ガスの燃焼速度を導出（推定）する。そして、筒内変数取得部２３０は、燃料ガスの燃焼速度と、ガスエンジン１００の運転条件に基づいて、筒内圧力および筒内温度を導出する。
　図３は、筒内圧力の変化の一例を示す図である。筒内変数取得部２３０は、例えば、所定期間において、複数の時点の筒内圧力および筒内温度を導出する。ここで、所定期間は、例えば、吸気バルブ１１０ａおよび排気バルブ１１０ｂの閉弁後から、上死点（ＴＤＣ）を超えて排気バルブ１１０ｂが開くまでの期間である。複数の時点の間隔は、例えば、クランク角で０．１度などである。圧縮前の筒内圧力および筒内温度の初期値は、それぞれ、上記の吸気圧力、吸気温度が設定される。圧縮後の筒内圧力および筒内温度は、設定された圧縮比を用いて導出される。また、導出された着火時の筒内圧力および筒内温度を含む筒内取得用パラメータと、燃焼速度の応答曲面によって、燃焼速度が導出される。続いて、導出された燃焼速度によって着火時の次の時点までに燃焼する燃料の燃焼量が導出され、燃焼量から着火時の次の時点の筒内圧力が導出される。導出された筒内圧力や燃焼量（発熱量）から筒内温度が導出される。導出された筒内圧力および筒内温度を含む筒内取得用パラメータと、燃焼速度の応答曲面によって、着火時の次の時点の燃焼速度が導出される。このように、初期値が与えられれば、その後の筒内圧力、筒内温度、燃焼速度は、順次、導出可能となる。こうして、筒内変数取得部２３０は、クランク角に応じた筒内圧力および筒内温度の推移（筒内圧力履歴、筒内温度履歴）を導出する。
　遅れ推定部２３２は、遅れパラメータ（第１パラメータ）に基づいて自着火遅れを推定する。遅れパラメータには、筒内圧力、筒内温度、燃料ガスの噴射量（混合気濃度）、および、燃料ガスの組成が含まれる。自着火遅れは、燃料噴射開始から自着火までの時間である。
　エンジン制御装置２２０には、予め、自着火遅れの応答曲面が記憶されている。自着火遅れの応答曲面は、筒内圧力、筒内温度、燃料ガスの組成、燃料ガスの噴射量（混合気濃度）を含む複数のパラメータに、自着火遅れが関連付けられたものである。燃料ガスの組成については、上記のように、例えば、各成分の含有比率の組み合わせのパターンが予め登録されており、測定された燃料ガスの組成に基づいて、最も近いパターンが特定される。
　自着火遅れの応答曲面は、例えば、複数のマップ形式であってもよいし、関数モデルであってもよい。遅れ推定部２３２は、自着火遅れの応答曲面と、遅れパラメータによって、自着火遅れを導出（推定）する。上記のように、筒内変数取得部２３０によって、クランク角に応じた筒内圧力および筒内温度の推移が導出される。遅れ推定部２３２は、複数の時点（クランク角）について、その時点における筒内圧力および筒内温度を用いて、自着火遅れを導出する。
　自着火予測部２３４は、遅れ推定部２３２が導出した自着火遅れの逆数を、時系列に順次、積算する。自着火予測部２３４は、この積算値が１以上となる時点を、自着火タイミングとして予測する。このような自着火遅れの逆数の積算による自着火タイミングの予測計算は、Livengood-Wu積分と言われており、下記の数式１に表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 …（数式１）
　数式１において、時間が変数ｔ、自着火タイミングが変数ｔｅ、自着火遅れが変数τ、筒内圧力が変数Ｐ、筒内温度が変数Ｔである。積分値が１となるまで積分することで、自着火タイミング（変数ｔｅ）が導出（予測）される。
　完了予測部２３６は、燃焼室１０８に供給された燃料ガスが燃焼し切る、燃料ガスの燃焼完了タイミングを予測する。具体的に、完了予測部２３６は、燃料ガスの燃焼速度と、燃料ガスの噴射量とに基づいて、燃焼完了タイミングを予測する。
　完了予測部２３６は、燃料ガスの噴射量と筒内圧力に基づいて、燃料ガスと吸気の混合気の燃焼室１０８内における分布（体積）を推定する。完了予測部２３６は、燃料ガスの燃焼速度に基づいて、燃焼部分が混合気全体に行き渡る時刻を推定し、これを燃料ガスの燃焼完了タイミングとする。
　また、完了予測部２３６は、筒内圧力と、燃料ガスの噴射量とに基づいて、燃焼完了タイミングを予測してもよい。
　図４Ａは、燃料ガスの燃焼による発熱量の一例を示す図である。図４Ｂは、燃料ガスの燃焼による発熱量の積算値の一例を示す図である。図４Ａに示すように、燃料ガスが燃焼すると、燃焼に伴って発熱する。この発熱量は、シリンダ１０２内部の気体のエネルギー収支に基づいて推定可能である。完了予測部２３６は、筒内圧力や筒内温度に基づいて、毎時間ごとの燃料ガスの燃焼に伴う発熱量を導出する。
　完了予測部２３６は、図４Ｂに示すように、毎時間ごとの燃料ガスの燃焼に伴う発熱量を積算する（積算発熱量）。完了予測部２３６は、積算発熱量が閾値を超えた時点を燃焼完了タイミングとする。ここで、閾値は、噴射された燃料ガスが全て燃焼して生じる発熱量の総量の９５％などに設定される。
　このように、完了予測部２３６は、筒内圧力と、燃料ガスの噴射量とに基づいて、燃焼完了タイミングを予測してもよい。
　運転制御部２３８は、自着火予測部２３４によって予測された自着火タイミングと、完了予測部２３６によって予測された燃焼完了タイミングとを比較する。運転制御部２３８は、この比較結果に基づいて、ガスエンジン１００を制御する。運転制御部２３８は、ガスエンジン１００の運転条件を変更する。
　運転制御部２３８は、例えば、運転条件として上述した吸気温度、吸気圧力、燃料ガスの噴射量（混合気濃度）、燃料噴射タイミング、圧縮比を変更する。具体的に、運転制御部２３８は、冷却器を制御して吸気温度を変更してもよい。運転制御部２３８は、過給機（コンプレッサ）を制御して吸気圧力を変更してもよい。運転制御部２３８は、燃料バルブ１１６ａの開閉タイミングを変更して燃料ガスの噴射量や燃料噴射タイミングを変更したり、点火タイミングを変更してもよい。また、運転制御部２３８は、可変バルブ機構によって、吸気バルブ１１０ａ、排気バルブ１１０ｂの開閉タイミングを変更してもよい。
　自着火タイミングが燃焼完了タイミング以降である場合、ノッキングは発生しないと推定される。自着火タイミングが燃焼完了タイミングよりも前である場合、ノッキングが発生すると推定される。
　また、自着火タイミングが燃焼完了タイミング以降であって、自着火タイミングと燃焼完了タイミングとの時間差が大きければ、ノッキングが発生するまでに余裕があると推定される。逆に、自着火タイミングと燃焼完了タイミングとの時間差が小さければ、ノッキングが発生するまでに余裕がないと推定される。運転制御部２３８は、自着火タイミングと燃焼完了タイミングとの時間差に応じて、ノッキングが発生しない範囲で、ガスエンジン１００の効率が向上する方へ運転条件を変更する。
　例えば、自着火タイミングが燃焼完了タイミングよりも前であって、自着火タイミングと燃焼完了タイミングとの時間差が大きいとする。この場合、運転条件を大きく（ノッキングが発生し難い方へ）緩和しなければ、ノッキングを回避できないと推定される。逆に、自着火タイミングと燃焼完了タイミングとの時間差が小さいとする。この場合、運転条件をそれほど（ノッキングが発生し難い方へ）緩和しなくとも、ノッキングを回避できると推定される。運転制御部２３８は、自着火タイミングと燃焼完了タイミングとの時間差に応じて、ガスエンジン１００の効率の低下幅を抑えつつ、ノッキングが発生し難い方へ運転条件を変更する。
　図５は、運転制御部２３８の処理を説明するための図である。運転制御部２３８は、自着火タイミングが燃焼完了タイミング以降であれば、効率向上制御を行う。運転制御部２３８は、自着火タイミングが燃焼完了タイミングよりも前であれば、ノッキング抑制制御を行う。
　このように、エンジン制御システム２００では、ノッキングが発生する運転条件までの余裕度合いが、自着火タイミングと燃焼完了タイミングとの時間差として導出される。この時間差に応じて運転条件が制御される。そのため、ガスエンジン１００の効率向上の余地があるにも拘わらず、運転条件の変更がなされないといった事態が回避される。ノッキングまでの度合いを把握しつつノッキングを抑制することが可能となる。
　図６は、エンジン制御処理の流れを示すフローチャートである。図６に示す処理は、所定の間隔（インターバル）を空けて繰り返し実行される。
（ステップ３００）
　筒内変数取得部２３０および遅れ推定部２３２は、ガス組成センサ２１０が最後に測定した（最新の）燃料ガスの組成の測定結果を取得する。
（ステップ３０２）
　筒内変数取得部２３０は、筒内取得用パラメータ（ガスエンジン１００の運転条件（吸気温度、吸気圧力、燃料ガスの噴射量（混合気濃度）、燃料噴射タイミング、圧縮比）と、燃料ガスの組成）に基づいて、筒内圧力および筒内温度を導出する。
（ステップ３０４）
　遅れ推定部２３２は、遅れパラメータ（筒内圧力、筒内温度、燃料ガスの噴射量（混合気濃度）、および、燃料ガスの組成）に基づいて自着火遅れを推定する。
（ステップ３０６）
　自着火予測部２３４は、遅れ推定部２３２が導出した自着火遅れの逆数を、時系列に順次、積算し、積算値が１以上となる時点を、自着火タイミングとして予測する。
（ステップ３０８）
　完了予測部２３６は、燃料ガスの燃焼速度および筒内圧力の一方と、燃料ガスの噴射量に基づいて、燃焼完了タイミングを予測する。
（ステップ３１０）
　運転制御部２３８は、自着火予測部２３４によって予測された自着火タイミングと、完了予測部２３６によって予測された燃焼完了タイミングとを比較する。運転制御部２３８は、自着火タイミングの方が、燃焼完了タイミングよりも早いか否かを判定する。自着火タイミングの方が、燃焼完了タイミングよりも早い場合、ステップ３１２に処理を移し、自着火タイミングが、燃焼完了タイミング以降の場合、ステップ３１４に処理を移す。
（ステップ３１２）
　運転制御部２３８は、ノッキング抑制制御を遂行し、当該エンジン制御処理を終了する。
（ステップ３１４）
　運転制御部２３８は、効率向上制御を遂行し、当該エンジン制御処理を終了する。
　以上、添付図面を参照しながら一実施形態について説明したが、本開示はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に技術的範囲に属するものと了解される。
　例えば、上述した実施形態では、ガスエンジン１００は、４サイクルエンジンである場合について説明した。ただし、ガスエンジン１００は、２サイクルエンジンであってもよい。例えば、ガスエンジン１００が、ユニフロー掃気式２サイクルエンジンであってもよい。
　また、上述した実施形態では、筒内変数取得部２３０は、計算によって筒内圧力および筒内温度を導出（取得）する場合について説明した。この場合、１サイクル中において、ノッキングが発生する前に、ノッキングを予測することが可能となる。ただし、シリンダ１０２に圧力センサおよび温度センサを設けてもよい。この場合、筒内変数取得部２３０は、筒内圧力および筒内温度として、それぞれ圧力センサおよび温度センサから取得した出力値を、取得する。この構成では、例えば、前のサイクルの値を用いて、対象のサイクルにおけるノッキングを予測することができる。また、実測された筒内圧力のピークとなる時点を、燃焼完了タイミングとすることができる。
　本開示は、燃料ガスの組成に応じてエンジンを制御するエンジン制御システムに利用することができる。
１００：ガスエンジン（エンジン）　２００：エンジン制御システム　２３０：筒内変数取得部　２３２：遅れ推定部　２３４：自着火予測部　２３６：完了予測部　２３８：運転制御部（制御部）

Claims (6)

  1. 　燃料ガスの組成を含む第１パラメータに基づいて、自着火遅れを推定する遅れ推定部と、
    　前記自着火遅れに基づいて、自着火タイミングを予測する自着火予測部と、
    　前記燃料ガスの燃焼完了タイミングを予測する完了予測部と、
    　前記自着火タイミングと前記燃焼完了タイミングとの比較結果に基づいて、エンジンを制御する制御部と、
    を備えるエンジン制御システム。
  2. 　前記遅れ推定部は、燃料噴射開始から自着火までの間の複数の時点について、前記自着火遅れを推定し、
    　前記自着火予測部は、前記自着火遅れの逆数の積算値が１以上となる時点を、前記自着火タイミングと予測する請求項１に記載のエンジン制御システム。
  3. 　前記第１パラメータとして、筒内圧力、筒内温度を取得する筒内変数取得部をさらに備え、
    　前記遅れ推定部は、前記複数の時点における前記筒内圧力、前記筒内温度に応じた前記自着火遅れを推定する請求項２に記載のエンジン制御システム。
  4. 　前記筒内変数取得部は、前記燃料ガスの組成を含む第２パラメータに基づいて、前記筒内圧力、前記筒内温度を推定する請求項３に記載のエンジン制御システム。
  5. 　前記完了予測部は、前記燃料ガスの燃焼速度および前記筒内圧力の一方と、前記燃料ガスの噴射量とに基づいて、前記燃焼完了タイミングを予測する請求項１から４のいずれか１項に記載のエンジン制御システム。
  6. 　前記制御部は、吸気温度、吸気圧力、前記燃料ガスの噴射量、燃料噴射タイミング、圧縮比の少なくとも一つを変更する請求項１から５のいずれか１項に記載のエンジン制御システム。
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