ガスエンジン制御装置
【課題】ガスエンジン制御装置において、排気圧センサー等を用いずにＮＯｘ低減のための燃料ガス供給量調整弁の開度補正を短時間でかつ精度良く行う。
【解決手段】瞬時エンジン回転数ｎ１・ｎ２・ｎ３の１サイクルの平均をエンジン回転数Ｎとし、瞬時エンジン回転数ｎ１・ｎ２・ｎ３とエンジン回転数Ｎとのエンジン回転数差に基づく実燃焼変動値ＰＩＶを、エンジン負荷Ｌに基づく目標燃焼変動値ＰＩＶｍに収束するように燃料ガス供給量調整弁３５の開度ＧＶＭを調整する開度調整手段２００と、を有するガスエンジン制御装置１において、所定時期ｔ＿ｉｎｔにおいて、前記燃料ガス供給量調整弁３５の開度ＧＶＭを強制的に増加又は減少させ、前記目標燃焼変動値ＰＩＶｍへの収束過程における前記開度ＧＶＭの極大値及び極小値に基づいて、開度補正値ＧＶＭ＿ｒｖを算出する開度補正手段３００を備える。
【解決手段】瞬時エンジン回転数ｎ１・ｎ２・ｎ３の１サイクルの平均をエンジン回転数Ｎとし、瞬時エンジン回転数ｎ１・ｎ２・ｎ３とエンジン回転数Ｎとのエンジン回転数差に基づく実燃焼変動値ＰＩＶを、エンジン負荷Ｌに基づく目標燃焼変動値ＰＩＶｍに収束するように燃料ガス供給量調整弁３５の開度ＧＶＭを調整する開度調整手段２００と、を有するガスエンジン制御装置１において、所定時期ｔ＿ｉｎｔにおいて、前記燃料ガス供給量調整弁３５の開度ＧＶＭを強制的に増加又は減少させ、前記目標燃焼変動値ＰＩＶｍへの収束過程における前記開度ＧＶＭの極大値及び極小値に基づいて、開度補正値ＧＶＭ＿ｒｖを算出する開度補正手段３００を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスエンジン制御装置、詳しくは吸気経路へ合流する燃料ガス供給経路に設けられる燃料ガス供給量調整手段のＮＯｘ低減のための開度補正制御の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
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、ＮＯｘ低減を実現する希薄燃焼制御も公知である。燃料ガス供給量調整弁は、空燃比を制御するため、燃料ガス供給経路に設けられる燃料ガス供給量調整手段である。例えば、特許文献１は、ガスエンジン制御装置において、排ガス経路中に設けた排気圧センサーに基づいて失火しない程度の希薄燃焼となるように燃料ガス供給量調整弁の開度を設定する希薄燃焼制御方法を開示している。
【特許文献１】特開１０−１３１７９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、特許文献１の希薄燃焼制御方法では、高価な排気圧センサーが必要であるため、製品コストが嵩むことになる。また、ガスエンジンの吸気経路は、例えばエアクリーナーの目詰まり等の経年劣化によって、吸気流量が低下する。そのため、燃料ガス供給量調整弁は、吸気流量の低下に伴う燃料ガス供給量の開度補正を行う必要がある。さらに、例えばエンジン駆動式ヒートポンプに搭載されるガスエンジンの開度補正は、現地設置後でも適宜に行われる。そのため、燃料ガス供給量の開度補正は、短時間で行うことが望まれる。
そこで、解決しようとする課題は、ガスエンジン制御装置において、排気圧センサー等を用いずにＮＯｘ低減のための燃料ガス供給量調整弁の開度補正を短時間でかつ精度良く行うことである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
【０００５】
即ち、請求項１においては、エンジン負荷を検出するエンジン負荷検出手段と、エンジン回転数を検出するエンジン回転数検出手段と、吸気経路へ合流する燃料ガス供給経路に設けられ、該吸気経路への燃料ガス供給量を調整する燃料ガス供給量調整手段と、１燃焼サイクルにおける各気筒の燃焼行程での瞬時エンジン回転数とエンジン回転数とのエンジン回転数差に基づく燃焼変動値を、前記エンジン負荷に基づく目標燃焼変動値に収束するように前記燃料ガス供給量調整手段を調整する開度調整手段と、を有するガスエンジン制御装置において、所定時期において、前記燃料ガス供給量調整手段の開度を強制的に増加又は減少させ、前記目標燃焼変動値への収束過程における前記開度の極大値及び極小値に基づいて、開度補正値を算出する開度補正手段を備えるものである。
【０００６】
請求項２においては、請求項１記載のガスエンジン制御装置において、前記開度補正手段は、目標燃焼変動値への収束過程の開度の極大値及び極小値について重み係数を乗じた内分値に基づいて開度補正値を算出するものである。
【０００７】
請求項３においては、請求項１又は２記載のガスエンジン制御装置において、前記開度補正手段は、目標燃焼変動値への収束過程の開度の極大値及び極小値を２回ずつ検出し、これら２つの極大値及び２つの極小値に基づいて開度補正値を算出するものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。
【０００９】
請求項１においては、燃料ガス供給量調整手段の開度を強制的に増加又は減少させることによって、開度の極大値と極小値の見極めが短時間に行え、かつ開度補正値の算出精度を向上することができる。つまり、排気圧センサー等を用いずに燃料ガス供給量調整弁の希薄燃焼維持のための開度補正を短時間でかつ精度良く行うことができる。これによって、ＮＯｘ低減を図ることができる。
【００１０】
請求項２においては、目標燃焼変動値への収束過程の開度の極小値又は極大値に重み付けをすることで、極小値を重くすることで希薄燃焼重視、或いは極大値を重くすることで失火防止重視の選択ができる。
【００１１】
請求項３においては、２つの極大値及び２つの極小値に基づいて開度補正値を算出することで、開度補正の時間短縮と精度向上を両立する上で最適な制御を実行できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
次に、発明の実施の形態を説明する。
図１は本発明の実施例に係るガスエンジン制御装置及びガスエンジンの構成を示す構成図、図２は同じくガスエンジン制御装置の構成を示すブロック図、図３は同じくＰＩＶマップを示すグラフ図である。
図４は同じく開度調整制御を示すブロック図、図５は同じく開度補正制御を示すフロー図、図６は同じく開度補正制御の時系列変化を示すチャート図である。
【００１３】
まず、図１を用いて、本発明のガスエンジン制御装置１の制御対象であるエンジン２について、簡単に説明する。
本実施例において、エンジン２は、エンジン駆動式ヒートポンプに搭載されるものとする。
本実施例のエンジン２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。
エンジン２は、吸気経路、燃料ガス供給経路、エンジン本体、排気経路を備えて構成されている。
吸気経路は、外部から取り込む空気と燃料ガスとを後述するミキサ３により混合して生成した混合ガスを供給する吸気配管１１及び空気中に含まれる塵挨等を除去するエアクリーナー１２によって構成されている。
エンジン本体は、混合ガスを燃焼させるための空間である燃焼室２１ａ、シリンダヘッド２１において開閉動作を行うことにより吸気配管１１と燃焼室２１ａとを連通又は遮断する吸気バルブ２３、燃焼室２１ａに供給された混合ガスを燃焼させるために火花を発生する点火プラグ２２、燃焼室２１ａに供給された混合ガスが燃焼し、膨張することにより上下方向に摺動するピストン２５、ピストン２５の往復運動により回転運動するクランク軸２６、並びにシリンダヘッド２１において開閉動作を行うことにより排気配管１３と燃焼室２１ａとを連通または遮断する排気バルブ２４、を備えて構成されている。
排気経路は、燃焼室２１ａで混合ガスが燃焼することにより生成する排気ガスをエンジン２の外部に排出する排気配管１３によって構成されている。
【００１４】
燃料ガス供給経路としてのミキサ３は、燃料ガスを吸気配管１１の内部に供給する第一燃料ガス供給配管３１、第一燃料ガス供給配管３１から燃料ガスの一時的増量を行う開閉式燃料弁３２、開閉式燃料弁３２をバイパスして第一燃料供給配管３１に接続する第二燃料供給配管３４、第二燃料供給配管３４を通過する燃料ガス量すなわち混合ガス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３５、第一燃料供給配管３１内の燃料ガスと吸気空気との間に差圧を生じさせ、該燃料ガスを第一燃料供給配管３１から吸気配管１１に供給するベンチュリ３３、並びに混合ガスの供給量を調整するスロットル弁３６、を備えて構成されている。なお、開閉式燃料弁３２は、燃料ガスを一時的に増量する制御を組み込まない場合には省略される。
【００１５】
次に、図１及び図２を用いて、ガスエンジン制御装置１について、詳細に説明する。
図１及び図２に示すように、ガスエンジン制御装置１は、主に燃料ガス供給量調整弁３５、エンジン回転数センサー１３２、高圧センサー１３１、各種演算を行うＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ（以下ＥＣＵと称する）１５０等を含んで構成されている。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１３２は、クランク軸２６と同期回転する歯車の所定角度毎のパルス信号を計測可能なセンサーである。本発明においては、１燃焼サイクル（クランク軸２６の２回転）相当のパルス数計測時間に基づいてエンジン回転数Ｎを算出している。一方で、気筒毎の燃焼行程相当のパルス数計測時間に基づいて当該気筒の瞬時エンジン回転数ｎ１、ｎ２、ｎ３を算出している。
エンジン負荷検出手段としての高圧センサー１３１は、エンジン駆動式ヒートポンプの圧縮機の吐出圧力（高圧圧力ＨＰ）を検出する。そして、図示しない圧縮機による冷媒の断熱圧縮仕事を算出する。エンジン負荷検出手段としては、その他にエンジン冷却水温度やエンジン潤滑油温度、圧力を検出して、これらと負荷との相関関係から算出しても良い。
ＥＣＵ１５０は、後述する開度調整手段２００及び開度補正手段３００としての機能を有するコントローラ１００、並びに記憶部１２０を含んで構成されている。
【００１６】
また、図３を用いて、燃焼変動値を表すＰＩＶマップ５０について、詳細に説明する。
ＰＩＶマップ５０は、エンジン回転数Ｎとエンジン負荷Ｌに対応した目標希薄燃焼域に相当する目標燃焼変動値ＰＩＶｍをプロットしたものである。ここで、ＰＩＶマップ５０は、予めＥＣＵ１５０に含まれる記憶部１２０に記憶されているマップである。
ここで、各気筒の燃料供給量が理論空燃比に近い程、エンジン回転数Ｎとその気筒の燃焼行程の瞬時エンジン回転数ｎ１、ｎ２、ｎ３との回転数差が小さく、希薄燃焼域では回転数差が大きくなるという、相関があり、この回転数差に基づく関数を燃焼変動値としている。
すなわち、燃焼変動値が大きい程、希薄燃焼域でＮＯｘ発生量を低減でき（但し、失火し易い）、燃焼変動値が小さい程、理論空燃比に近く、ＮＯｘ発生量が増加（但し、失火し難い）する。目標燃焼変動値ＰＩＶｍは、失火しない限界近傍の希薄燃焼域に相当するように選定される。
【００１７】
ここで、図４を用いて、開度調整制御について、詳細に説明する。
コントローラ１００は、開度調整手段２００として、燃料ガス供給量調整弁３５の開度調整制御を行う機能を有している。
目標エンジン回転数設定部（Ｎｍ演算部）１０２、目標燃焼変動値算出部（ＰＩＶｍ算出部）１０３、開度演算部（ＧＶＭ演算部）１０１、及び燃焼変動値演算部（ＰＩＶ演算部）１０５は、開度調整手段２００としてのコントローラ１００のそれぞれの機能である。
まず、Ｎｍ演算部１０２は、高圧圧力ＨＰに基づいて算出される圧縮機での冷媒の断熱圧縮仕事であるエンジン負荷Ｌに基づいて、目標エンジン回転数Ｎｍを算出する。次に、ＰＩＶｍ算出部１０３は、目標エンジン回転数Ｎｍ及びエンジン負荷Ｌに基づいて記憶部１２０のＰＩＶマップ５０より目標燃焼変動値ＰＩＶｍを算出する。一方、ＰＩＶ演算部１０５は、エンジン回転数Ｎと各気筒の燃焼行程での瞬時エンジン回転数ｎ１・ｎ２・ｎ３とのエンジン回転数差に基づく実燃焼変動値ＰＩＶを演算する。ここで、ＧＶＭ演算部１０１は、偏差ΔＰＩＶから、燃料ガス供給量調整弁開度ＧＶＭ（以下、開度ＧＶＭ）を演算する機能を有する。ここで、偏差ΔＰＩＶとは、目標燃焼変動値ＰＩＶｍと実燃焼変動値ＰＩＶとの偏差である。
【００１８】
ここで、図５及び図６を用いて、開度補正制御について、詳細に説明する。
コントローラ１００は、開度補正手段３００として、燃料ガス供給量調整弁３５の開度補正制御を行う機能を有する。
【００１９】
まず、図５を用いて、Ｓ１１０〜Ｓ１５０について、詳細に説明する。なお、以下の開度補正制御において、エンジン回転数Ｎは所定回転数に固定される。
まず、コントローラ１００は、エンジン２の積算運転時間が所定時期ｔ＿ｉｎｔに到達したかどうかを判定する（Ｓ１１０）。ここで、所定時期ｔ＿ｉｎｔは、現地設置後又はメンテナンス後から起算する積算運転時間である。
次に、コントローラ１００は、積算運転時間が所定時期ｔ＿ｉｎｔに到達したならば、開度ＧＶＭをＧＶＭ演算部１０１による開度指令値に所定量強制増加させ（Ｓ１２０）、サンプリング数ｎ及び極値数ｍの設定を１とする（Ｓ１３０）。ここで、サンプリング数ｎは、開度補正制御開始から開度ＧＶＭをサンプリングした回数を表している。つまり、ＧＶＭ（ｎ）は、コントローラ１００がｎ回目にサンプリングした開度ＧＶＭである。また、極値数ｍは、極大値及び極小値を併せて極値としたときに、現在検出しようとする極値が開度補正制御開始から何番目の極値であるかを表している。本実施例のように制御当初に開度ＧＶＭを強制増加し、すなわち、燃料ガスを増加し、極値数ｍの初期値を１とする場合は、極値数ｍが奇数のときに開度ＧＶＭの極小値が出現し、偶数のときに開度ＧＶＭの極大値が出現する。
なお、開度ＧＶＭを所定量強制減少させて、すなわち、燃料ガスを減少し、極値数ｍの初期値を１とする場合は、極値数ｍが奇数のときに開度ＧＶＭの極大値が出現し、偶数のときに開度ＧＶＭの極小値が出現する。
次に、コントローラ１００は、上述したように開度調整手段２００によって、実燃焼変動値ＰＩＶ（Ｓ１４０）を算出し、目標燃焼変動値ＰＩＶｍに収束するように開度ＧＶＭ（ｎ）を算出する（Ｓ１５０）。
【００２０】
ここで、図６を用いて、開度補正制御における開度ＧＶＭ及び実燃焼変動値ＰＩＶの時系列変化について、詳細に説明する。
図６は、横軸を時間（ｓ）、縦軸下側を実燃焼変動値ＰＩＶ並びに縦軸上側を開度ＧＶＭとして表されている。また、図６において、実線は開度ＧＶＭの時系列変化を表しており、破線は実燃焼変動値ＰＩＶの時系列変化及び目標燃焼変動値ＰＩＶｍを表している。Ｓ１２０において、開度ＧＶＭを所定量強制増加させたため、実燃焼変動値ＰＩＶは急激に減少する。コントローラ１００は、急激に減少する実燃焼変動値ＰＩＶを目標燃焼変動値ＰＩＶｍに復帰させようとして、開度ＧＶＭを減少させる。
このようにして、開度ＧＶＭ及び実燃焼変動値ＰＩＶは、互いに増加及び減少を繰り返して目標燃焼変動値ＰＩＶｍに向かって収束する。開度補正制御は、このときの開度ＧＶＭの極大値及び極小値に基づいて、開度補正を行う制御である。
【００２１】
次に、図５を用いて、Ｓ２１０〜Ｓ３６０について、詳細に説明する。
Ｓ２１０〜Ｓ３６０において、コントローラ１００は、開度ＧＶＭを所定量強制増加させてからの開度ＧＶＭ（ｎ）について、それぞれ２つの極大値ＧＶＭｍａｘ１・ＧＶＭｍａｘ２及び極小値ＧＶＭｍｉｎ１・ＧＶＭｍｉｎ２を算出する（図６参照）。
Ｓ２１０は、これから決定しようとするＧＶＭ（ｎ）が極小値に向かう過程であるか、極大値に向かう過程であるかを判断するステップである。上述したように、極値数ｍが奇数であれば、これから決定しようとするＧＶＭ（ｎ）は極小値であり、極値数ｍが偶数であれば、極大値である。
Ｓ２２０は、ＧＶＭ（ｎ）がＧＶＭ（ｎ−１）より大きい、すなわち極小値であるかを判定するステップである。Ｓ２５０は、ＧＶＭ（ｎ）がＧＶＭ（ｎ−１）より小さい、すなわち極大値であるかを判定するステップである。
Ｓ２４０、Ｓ２７０は、ＧＶＭ（ｎ）が極小値、極大値に到達するまで、サンプリング数ｎを増加して、再度Ｓ１４０に戻るためのステップである。
Ｓ２３０及び２６０は、極大値（又は極小値）が、開度補正制御開始からそれぞれ１番目か２番目かを判定するステップである。
Ｓ３１０、３２０は、現在のＧＶＭ（ｎ）を１番目の極小値ＧＶＭｍｉｎ１、２番目の極小値ＧＶＭｍｉｎ２とするステップである。他方、Ｓ３３０、３４０は、現在のＧＶＭ（ｎ）を１番目の極大値ＧＶＭｍａｘ１、２番目の極大値ＧＶＭｍａｘ２とするステップである。
Ｓ３５０は、極大値（又は極小値）を検出したならば、極値数ｍを１増加するステップである。Ｓ３６０は、極値数ｍが４より大きいかを判定し、４より大きければ極値の検出を終了し、Ｓ４１０へ移行するステップである。すなわち、極小値、極大値をそれぞれ、２回ずつ検出した段階でＳ１３０から開始した極値検出ステップを終了する。
【００２２】
次に、図３を用いて、Ｓ４１０〜Ｓ４３０について、詳細に説明する。
まず、コントローラ１００は、極大値ＧＶＭｍａｘ１・ＧＶＭｍａｘ２の平均より、平均極大値ＧＶＭｍａｘを算出する（Ｓ４１０）。同時に、コントローラ１００は、極小値ＧＶＭｍｉｎ１・ＧＶＭｍｉｎ２の平均より、平均極小値ＧＶＭｍｉｎを算出する（Ｓ４１０）。
次に、コントローラ１００は、重み係数Ｗにより平均極小値ＧＶＭｍｉｎと平均極大値ＧＶＭｍａｘのＷ対１−Ｗの内分値を開度更新値ＧＶＭ＿ｒｎとして算出する（Ｓ４２０）。
次に、コントローラ１００は、開度更新値ＧＶＭ＿ｒｎから前回の開度補正制御において算出した開度更新値ＧＶＭ＿ｒｎを差し引いた開度補正値ＧＶＭ＿ｒｖを算出する（Ｓ４３０）。開度更新値ＧＶＭ＿ｒｎは絶対量であり、前回更新値との差分を今回の更新値とするのである。
【００２３】
このようにして、燃料ガス供給量調整弁３５の開度ＧＶＭを強制的に増加又は減少させることによって、開度ＧＶＭの極大値ＧＶＭｍａｘ１・ＧＶＭｍａｘ２と極小値ＧＶＭｍｉｎ１・ＧＶＭｍｉｎ２の見極めが短時間に行え、かつ開度補正値ＧＶＭ＿ｒｖの算出精度を向上することができる。つまり、排気圧センサー等を用いずに燃料ガス供給量調整弁３５の希薄燃焼維持のための開度補正を短時間でかつ精度良く行うことができる。
また、実燃焼変動値ＰＩＶを吸気経路の経年劣化による吸気流量の低下に係らず目標燃焼変動値ＰＩＶｍに収束できるため、ＮＯｘ発生量の低減が可能となる。
さらに、補正値算出に用いる極大値及び極小値をそれぞれ２回ずつまでの検出に留めることで、時間短縮と精度向上を両立する上で最適な制御を実行できる。
さらに、平均極小値ＧＶＭｍｉｎ又は平均極大値ＧＶＭｍａｘに重み付けをすることで、平均極小値ＧＶＭｍｉｎに重みを付ける希薄燃焼重視、或いは平均極大値ＧＶＭｍａｘに重みを付ける失火防止重視の選択ができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施例に係るガスエンジン制御装置及びガスエンジンの構成を示す構成図。
【図２】同じくガスエンジン制御装置の構成を示すブロック図。
【図３】同じくＰＩＶマップを示すグラフ図。
【図４】同じく開度調整制御を示すブロック図。
【図５】同じく開度補正制御を示すフロー図。
【図６】同じく開度補正制御の時系列変化を示すチャート図。
【符号の説明】
【００２５】
１ ガスエンジン制御装置
２ エンジン
３ ミキサ
１２ エアクリーナー
３５ 燃料ガス供給量調整弁
５０ ＰＩＶマップ
１００ コントローラ
１２０ 記憶部
１５０ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ（ＥＣＵ）
２００ 開度調整手段
３００ 開度補正手段
Ｎ エンジン回転数
Ｌ エンジン負荷
ＰＩＶ 実燃焼変動値
ＰＩＶｍ 目標燃焼変動値
ＧＶＭ 燃料ガス供給量調整弁開度（開度）
ｎ サンプリング数
ｍ 極値数
ＧＶＭｍａｘ１ 極大値
ＧＶＭｍａｘ２ 極大値
ＧＶＭｍａｘ 平均極大値
ＧＶＭｍｉｎ１ 極小値
ＧＶＭｍｉｎ２ 極小値
ＧＶＭｍｉｎ 平均極小値
Ｗ 重み係数
ＧＶＭ＿ｒｎ 開度更新値
ＧＶＭ＿ｒｖ 開度補正値
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスエンジン制御装置、詳しくは吸気経路へ合流する燃料ガス供給経路に設けられる燃料ガス供給量調整手段のＮＯｘ低減のための開度補正制御の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
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、ＮＯｘ低減を実現する希薄燃焼制御も公知である。燃料ガス供給量調整弁は、空燃比を制御するため、燃料ガス供給経路に設けられる燃料ガス供給量調整手段である。例えば、特許文献１は、ガスエンジン制御装置において、排ガス経路中に設けた排気圧センサーに基づいて失火しない程度の希薄燃焼となるように燃料ガス供給量調整弁の開度を設定する希薄燃焼制御方法を開示している。
【特許文献１】特開１０−１３１７９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、特許文献１の希薄燃焼制御方法では、高価な排気圧センサーが必要であるため、製品コストが嵩むことになる。また、ガスエンジンの吸気経路は、例えばエアクリーナーの目詰まり等の経年劣化によって、吸気流量が低下する。そのため、燃料ガス供給量調整弁は、吸気流量の低下に伴う燃料ガス供給量の開度補正を行う必要がある。さらに、例えばエンジン駆動式ヒートポンプに搭載されるガスエンジンの開度補正は、現地設置後でも適宜に行われる。そのため、燃料ガス供給量の開度補正は、短時間で行うことが望まれる。
そこで、解決しようとする課題は、ガスエンジン制御装置において、排気圧センサー等を用いずにＮＯｘ低減のための燃料ガス供給量調整弁の開度補正を短時間でかつ精度良く行うことである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
【０００５】
即ち、請求項１においては、エンジン負荷を検出するエンジン負荷検出手段と、エンジン回転数を検出するエンジン回転数検出手段と、吸気経路へ合流する燃料ガス供給経路に設けられ、該吸気経路への燃料ガス供給量を調整する燃料ガス供給量調整手段と、１燃焼サイクルにおける各気筒の燃焼行程での瞬時エンジン回転数とエンジン回転数とのエンジン回転数差に基づく燃焼変動値を、前記エンジン負荷に基づく目標燃焼変動値に収束するように前記燃料ガス供給量調整手段を調整する開度調整手段と、を有するガスエンジン制御装置において、所定時期において、前記燃料ガス供給量調整手段の開度を強制的に増加又は減少させ、前記目標燃焼変動値への収束過程における前記開度の極大値及び極小値に基づいて、開度補正値を算出する開度補正手段を備えるものである。
【０００６】
請求項２においては、請求項１記載のガスエンジン制御装置において、前記開度補正手段は、目標燃焼変動値への収束過程の開度の極大値及び極小値について重み係数を乗じた内分値に基づいて開度補正値を算出するものである。
【０００７】
請求項３においては、請求項１又は２記載のガスエンジン制御装置において、前記開度補正手段は、目標燃焼変動値への収束過程の開度の極大値及び極小値を２回ずつ検出し、これら２つの極大値及び２つの極小値に基づいて開度補正値を算出するものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。
【０００９】
請求項１においては、燃料ガス供給量調整手段の開度を強制的に増加又は減少させることによって、開度の極大値と極小値の見極めが短時間に行え、かつ開度補正値の算出精度を向上することができる。つまり、排気圧センサー等を用いずに燃料ガス供給量調整弁の希薄燃焼維持のための開度補正を短時間でかつ精度良く行うことができる。これによって、ＮＯｘ低減を図ることができる。
【００１０】
請求項２においては、目標燃焼変動値への収束過程の開度の極小値又は極大値に重み付けをすることで、極小値を重くすることで希薄燃焼重視、或いは極大値を重くすることで失火防止重視の選択ができる。
【００１１】
請求項３においては、２つの極大値及び２つの極小値に基づいて開度補正値を算出することで、開度補正の時間短縮と精度向上を両立する上で最適な制御を実行できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
次に、発明の実施の形態を説明する。
図１は本発明の実施例に係るガスエンジン制御装置及びガスエンジンの構成を示す構成図、図２は同じくガスエンジン制御装置の構成を示すブロック図、図３は同じくＰＩＶマップを示すグラフ図である。
図４は同じく開度調整制御を示すブロック図、図５は同じく開度補正制御を示すフロー図、図６は同じく開度補正制御の時系列変化を示すチャート図である。
【００１３】
まず、図１を用いて、本発明のガスエンジン制御装置１の制御対象であるエンジン２について、簡単に説明する。
本実施例において、エンジン２は、エンジン駆動式ヒートポンプに搭載されるものとする。
本実施例のエンジン２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。
エンジン２は、吸気経路、燃料ガス供給経路、エンジン本体、排気経路を備えて構成されている。
吸気経路は、外部から取り込む空気と燃料ガスとを後述するミキサ３により混合して生成した混合ガスを供給する吸気配管１１及び空気中に含まれる塵挨等を除去するエアクリーナー１２によって構成されている。
エンジン本体は、混合ガスを燃焼させるための空間である燃焼室２１ａ、シリンダヘッド２１において開閉動作を行うことにより吸気配管１１と燃焼室２１ａとを連通又は遮断する吸気バルブ２３、燃焼室２１ａに供給された混合ガスを燃焼させるために火花を発生する点火プラグ２２、燃焼室２１ａに供給された混合ガスが燃焼し、膨張することにより上下方向に摺動するピストン２５、ピストン２５の往復運動により回転運動するクランク軸２６、並びにシリンダヘッド２１において開閉動作を行うことにより排気配管１３と燃焼室２１ａとを連通または遮断する排気バルブ２４、を備えて構成されている。
排気経路は、燃焼室２１ａで混合ガスが燃焼することにより生成する排気ガスをエンジン２の外部に排出する排気配管１３によって構成されている。
【００１４】
燃料ガス供給経路としてのミキサ３は、燃料ガスを吸気配管１１の内部に供給する第一燃料ガス供給配管３１、第一燃料ガス供給配管３１から燃料ガスの一時的増量を行う開閉式燃料弁３２、開閉式燃料弁３２をバイパスして第一燃料供給配管３１に接続する第二燃料供給配管３４、第二燃料供給配管３４を通過する燃料ガス量すなわち混合ガス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３５、第一燃料供給配管３１内の燃料ガスと吸気空気との間に差圧を生じさせ、該燃料ガスを第一燃料供給配管３１から吸気配管１１に供給するベンチュリ３３、並びに混合ガスの供給量を調整するスロットル弁３６、を備えて構成されている。なお、開閉式燃料弁３２は、燃料ガスを一時的に増量する制御を組み込まない場合には省略される。
【００１５】
次に、図１及び図２を用いて、ガスエンジン制御装置１について、詳細に説明する。
図１及び図２に示すように、ガスエンジン制御装置１は、主に燃料ガス供給量調整弁３５、エンジン回転数センサー１３２、高圧センサー１３１、各種演算を行うＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ（以下ＥＣＵと称する）１５０等を含んで構成されている。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１３２は、クランク軸２６と同期回転する歯車の所定角度毎のパルス信号を計測可能なセンサーである。本発明においては、１燃焼サイクル（クランク軸２６の２回転）相当のパルス数計測時間に基づいてエンジン回転数Ｎを算出している。一方で、気筒毎の燃焼行程相当のパルス数計測時間に基づいて当該気筒の瞬時エンジン回転数ｎ１、ｎ２、ｎ３を算出している。
エンジン負荷検出手段としての高圧センサー１３１は、エンジン駆動式ヒートポンプの圧縮機の吐出圧力（高圧圧力ＨＰ）を検出する。そして、図示しない圧縮機による冷媒の断熱圧縮仕事を算出する。エンジン負荷検出手段としては、その他にエンジン冷却水温度やエンジン潤滑油温度、圧力を検出して、これらと負荷との相関関係から算出しても良い。
ＥＣＵ１５０は、後述する開度調整手段２００及び開度補正手段３００としての機能を有するコントローラ１００、並びに記憶部１２０を含んで構成されている。
【００１６】
また、図３を用いて、燃焼変動値を表すＰＩＶマップ５０について、詳細に説明する。
ＰＩＶマップ５０は、エンジン回転数Ｎとエンジン負荷Ｌに対応した目標希薄燃焼域に相当する目標燃焼変動値ＰＩＶｍをプロットしたものである。ここで、ＰＩＶマップ５０は、予めＥＣＵ１５０に含まれる記憶部１２０に記憶されているマップである。
ここで、各気筒の燃料供給量が理論空燃比に近い程、エンジン回転数Ｎとその気筒の燃焼行程の瞬時エンジン回転数ｎ１、ｎ２、ｎ３との回転数差が小さく、希薄燃焼域では回転数差が大きくなるという、相関があり、この回転数差に基づく関数を燃焼変動値としている。
すなわち、燃焼変動値が大きい程、希薄燃焼域でＮＯｘ発生量を低減でき（但し、失火し易い）、燃焼変動値が小さい程、理論空燃比に近く、ＮＯｘ発生量が増加（但し、失火し難い）する。目標燃焼変動値ＰＩＶｍは、失火しない限界近傍の希薄燃焼域に相当するように選定される。
【００１７】
ここで、図４を用いて、開度調整制御について、詳細に説明する。
コントローラ１００は、開度調整手段２００として、燃料ガス供給量調整弁３５の開度調整制御を行う機能を有している。
目標エンジン回転数設定部（Ｎｍ演算部）１０２、目標燃焼変動値算出部（ＰＩＶｍ算出部）１０３、開度演算部（ＧＶＭ演算部）１０１、及び燃焼変動値演算部（ＰＩＶ演算部）１０５は、開度調整手段２００としてのコントローラ１００のそれぞれの機能である。
まず、Ｎｍ演算部１０２は、高圧圧力ＨＰに基づいて算出される圧縮機での冷媒の断熱圧縮仕事であるエンジン負荷Ｌに基づいて、目標エンジン回転数Ｎｍを算出する。次に、ＰＩＶｍ算出部１０３は、目標エンジン回転数Ｎｍ及びエンジン負荷Ｌに基づいて記憶部１２０のＰＩＶマップ５０より目標燃焼変動値ＰＩＶｍを算出する。一方、ＰＩＶ演算部１０５は、エンジン回転数Ｎと各気筒の燃焼行程での瞬時エンジン回転数ｎ１・ｎ２・ｎ３とのエンジン回転数差に基づく実燃焼変動値ＰＩＶを演算する。ここで、ＧＶＭ演算部１０１は、偏差ΔＰＩＶから、燃料ガス供給量調整弁開度ＧＶＭ（以下、開度ＧＶＭ）を演算する機能を有する。ここで、偏差ΔＰＩＶとは、目標燃焼変動値ＰＩＶｍと実燃焼変動値ＰＩＶとの偏差である。
【００１８】
ここで、図５及び図６を用いて、開度補正制御について、詳細に説明する。
コントローラ１００は、開度補正手段３００として、燃料ガス供給量調整弁３５の開度補正制御を行う機能を有する。
【００１９】
まず、図５を用いて、Ｓ１１０〜Ｓ１５０について、詳細に説明する。なお、以下の開度補正制御において、エンジン回転数Ｎは所定回転数に固定される。
まず、コントローラ１００は、エンジン２の積算運転時間が所定時期ｔ＿ｉｎｔに到達したかどうかを判定する（Ｓ１１０）。ここで、所定時期ｔ＿ｉｎｔは、現地設置後又はメンテナンス後から起算する積算運転時間である。
次に、コントローラ１００は、積算運転時間が所定時期ｔ＿ｉｎｔに到達したならば、開度ＧＶＭをＧＶＭ演算部１０１による開度指令値に所定量強制増加させ（Ｓ１２０）、サンプリング数ｎ及び極値数ｍの設定を１とする（Ｓ１３０）。ここで、サンプリング数ｎは、開度補正制御開始から開度ＧＶＭをサンプリングした回数を表している。つまり、ＧＶＭ（ｎ）は、コントローラ１００がｎ回目にサンプリングした開度ＧＶＭである。また、極値数ｍは、極大値及び極小値を併せて極値としたときに、現在検出しようとする極値が開度補正制御開始から何番目の極値であるかを表している。本実施例のように制御当初に開度ＧＶＭを強制増加し、すなわち、燃料ガスを増加し、極値数ｍの初期値を１とする場合は、極値数ｍが奇数のときに開度ＧＶＭの極小値が出現し、偶数のときに開度ＧＶＭの極大値が出現する。
なお、開度ＧＶＭを所定量強制減少させて、すなわち、燃料ガスを減少し、極値数ｍの初期値を１とする場合は、極値数ｍが奇数のときに開度ＧＶＭの極大値が出現し、偶数のときに開度ＧＶＭの極小値が出現する。
次に、コントローラ１００は、上述したように開度調整手段２００によって、実燃焼変動値ＰＩＶ（Ｓ１４０）を算出し、目標燃焼変動値ＰＩＶｍに収束するように開度ＧＶＭ（ｎ）を算出する（Ｓ１５０）。
【００２０】
ここで、図６を用いて、開度補正制御における開度ＧＶＭ及び実燃焼変動値ＰＩＶの時系列変化について、詳細に説明する。
図６は、横軸を時間（ｓ）、縦軸下側を実燃焼変動値ＰＩＶ並びに縦軸上側を開度ＧＶＭとして表されている。また、図６において、実線は開度ＧＶＭの時系列変化を表しており、破線は実燃焼変動値ＰＩＶの時系列変化及び目標燃焼変動値ＰＩＶｍを表している。Ｓ１２０において、開度ＧＶＭを所定量強制増加させたため、実燃焼変動値ＰＩＶは急激に減少する。コントローラ１００は、急激に減少する実燃焼変動値ＰＩＶを目標燃焼変動値ＰＩＶｍに復帰させようとして、開度ＧＶＭを減少させる。
このようにして、開度ＧＶＭ及び実燃焼変動値ＰＩＶは、互いに増加及び減少を繰り返して目標燃焼変動値ＰＩＶｍに向かって収束する。開度補正制御は、このときの開度ＧＶＭの極大値及び極小値に基づいて、開度補正を行う制御である。
【００２１】
次に、図５を用いて、Ｓ２１０〜Ｓ３６０について、詳細に説明する。
Ｓ２１０〜Ｓ３６０において、コントローラ１００は、開度ＧＶＭを所定量強制増加させてからの開度ＧＶＭ（ｎ）について、それぞれ２つの極大値ＧＶＭｍａｘ１・ＧＶＭｍａｘ２及び極小値ＧＶＭｍｉｎ１・ＧＶＭｍｉｎ２を算出する（図６参照）。
Ｓ２１０は、これから決定しようとするＧＶＭ（ｎ）が極小値に向かう過程であるか、極大値に向かう過程であるかを判断するステップである。上述したように、極値数ｍが奇数であれば、これから決定しようとするＧＶＭ（ｎ）は極小値であり、極値数ｍが偶数であれば、極大値である。
Ｓ２２０は、ＧＶＭ（ｎ）がＧＶＭ（ｎ−１）より大きい、すなわち極小値であるかを判定するステップである。Ｓ２５０は、ＧＶＭ（ｎ）がＧＶＭ（ｎ−１）より小さい、すなわち極大値であるかを判定するステップである。
Ｓ２４０、Ｓ２７０は、ＧＶＭ（ｎ）が極小値、極大値に到達するまで、サンプリング数ｎを増加して、再度Ｓ１４０に戻るためのステップである。
Ｓ２３０及び２６０は、極大値（又は極小値）が、開度補正制御開始からそれぞれ１番目か２番目かを判定するステップである。
Ｓ３１０、３２０は、現在のＧＶＭ（ｎ）を１番目の極小値ＧＶＭｍｉｎ１、２番目の極小値ＧＶＭｍｉｎ２とするステップである。他方、Ｓ３３０、３４０は、現在のＧＶＭ（ｎ）を１番目の極大値ＧＶＭｍａｘ１、２番目の極大値ＧＶＭｍａｘ２とするステップである。
Ｓ３５０は、極大値（又は極小値）を検出したならば、極値数ｍを１増加するステップである。Ｓ３６０は、極値数ｍが４より大きいかを判定し、４より大きければ極値の検出を終了し、Ｓ４１０へ移行するステップである。すなわち、極小値、極大値をそれぞれ、２回ずつ検出した段階でＳ１３０から開始した極値検出ステップを終了する。
【００２２】
次に、図３を用いて、Ｓ４１０〜Ｓ４３０について、詳細に説明する。
まず、コントローラ１００は、極大値ＧＶＭｍａｘ１・ＧＶＭｍａｘ２の平均より、平均極大値ＧＶＭｍａｘを算出する（Ｓ４１０）。同時に、コントローラ１００は、極小値ＧＶＭｍｉｎ１・ＧＶＭｍｉｎ２の平均より、平均極小値ＧＶＭｍｉｎを算出する（Ｓ４１０）。
次に、コントローラ１００は、重み係数Ｗにより平均極小値ＧＶＭｍｉｎと平均極大値ＧＶＭｍａｘのＷ対１−Ｗの内分値を開度更新値ＧＶＭ＿ｒｎとして算出する（Ｓ４２０）。
次に、コントローラ１００は、開度更新値ＧＶＭ＿ｒｎから前回の開度補正制御において算出した開度更新値ＧＶＭ＿ｒｎを差し引いた開度補正値ＧＶＭ＿ｒｖを算出する（Ｓ４３０）。開度更新値ＧＶＭ＿ｒｎは絶対量であり、前回更新値との差分を今回の更新値とするのである。
【００２３】
このようにして、燃料ガス供給量調整弁３５の開度ＧＶＭを強制的に増加又は減少させることによって、開度ＧＶＭの極大値ＧＶＭｍａｘ１・ＧＶＭｍａｘ２と極小値ＧＶＭｍｉｎ１・ＧＶＭｍｉｎ２の見極めが短時間に行え、かつ開度補正値ＧＶＭ＿ｒｖの算出精度を向上することができる。つまり、排気圧センサー等を用いずに燃料ガス供給量調整弁３５の希薄燃焼維持のための開度補正を短時間でかつ精度良く行うことができる。
また、実燃焼変動値ＰＩＶを吸気経路の経年劣化による吸気流量の低下に係らず目標燃焼変動値ＰＩＶｍに収束できるため、ＮＯｘ発生量の低減が可能となる。
さらに、補正値算出に用いる極大値及び極小値をそれぞれ２回ずつまでの検出に留めることで、時間短縮と精度向上を両立する上で最適な制御を実行できる。
さらに、平均極小値ＧＶＭｍｉｎ又は平均極大値ＧＶＭｍａｘに重み付けをすることで、平均極小値ＧＶＭｍｉｎに重みを付ける希薄燃焼重視、或いは平均極大値ＧＶＭｍａｘに重みを付ける失火防止重視の選択ができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施例に係るガスエンジン制御装置及びガスエンジンの構成を示す構成図。
【図２】同じくガスエンジン制御装置の構成を示すブロック図。
【図３】同じくＰＩＶマップを示すグラフ図。
【図４】同じく開度調整制御を示すブロック図。
【図５】同じく開度補正制御を示すフロー図。
【図６】同じく開度補正制御の時系列変化を示すチャート図。
【符号の説明】
【００２５】
１ ガスエンジン制御装置
２ エンジン
３ ミキサ
１２ エアクリーナー
３５ 燃料ガス供給量調整弁
５０ ＰＩＶマップ
１００ コントローラ
１２０ 記憶部
１５０ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ（ＥＣＵ）
２００ 開度調整手段
３００ 開度補正手段
Ｎ エンジン回転数
Ｌ エンジン負荷
ＰＩＶ 実燃焼変動値
ＰＩＶｍ 目標燃焼変動値
ＧＶＭ 燃料ガス供給量調整弁開度（開度）
ｎ サンプリング数
ｍ 極値数
ＧＶＭｍａｘ１ 極大値
ＧＶＭｍａｘ２ 極大値
ＧＶＭｍａｘ 平均極大値
ＧＶＭｍｉｎ１ 極小値
ＧＶＭｍｉｎ２ 極小値
ＧＶＭｍｉｎ 平均極小値
Ｗ 重み係数
ＧＶＭ＿ｒｎ 開度更新値
ＧＶＭ＿ｒｖ 開度補正値
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジン負荷を検出するエンジン負荷検出手段と、
エンジン回転数を検出するエンジン回転数検出手段と、
吸気経路へ合流する燃料ガス供給経路に設けられ、該吸気経路への燃料ガス供給量を調整する燃料ガス供給量調整手段と、
１燃焼サイクルにおける各気筒の燃焼行程での瞬時エンジン回転数とエンジン回転数とのエンジン回転数差に基づく燃焼変動値を、前記エンジン負荷に基づく目標燃焼変動値に収束するように前記燃料ガス供給量調整手段を調整する開度調整手段と、
を有するガスエンジン制御装置において、
所定時期において、前記燃料ガス供給量調整手段の開度を強制的に増加又は減少させ、前記目標燃焼変動値への収束過程における前記開度の極大値及び極小値に基づいて、開度補正値を算出する開度補正手段を備えることを特徴とするガスエンジン制御装置。
【請求項２】
請求項１記載のガスエンジン制御装置において、
前記開度補正手段は、目標燃焼変動値への収束過程の開度の極大値及び極小値について重み係数を乗じた内分値に基づいて開度補正値を算出することを特徴とするガスエンジン制御装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載のガスエンジン制御装置において、
前記開度補正手段は、目標燃焼変動値への収束過程の開度の極大値及び極小値を２回ずつ検出し、これら２つの極大値及び２つの極小値に基づいて開度補正値を算出することを特徴とするガスエンジン制御装置。
【請求項１】
エンジン負荷を検出するエンジン負荷検出手段と、
エンジン回転数を検出するエンジン回転数検出手段と、
吸気経路へ合流する燃料ガス供給経路に設けられ、該吸気経路への燃料ガス供給量を調整する燃料ガス供給量調整手段と、
１燃焼サイクルにおける各気筒の燃焼行程での瞬時エンジン回転数とエンジン回転数とのエンジン回転数差に基づく燃焼変動値を、前記エンジン負荷に基づく目標燃焼変動値に収束するように前記燃料ガス供給量調整手段を調整する開度調整手段と、
を有するガスエンジン制御装置において、
所定時期において、前記燃料ガス供給量調整手段の開度を強制的に増加又は減少させ、前記目標燃焼変動値への収束過程における前記開度の極大値及び極小値に基づいて、開度補正値を算出する開度補正手段を備えることを特徴とするガスエンジン制御装置。
【請求項２】
請求項１記載のガスエンジン制御装置において、
前記開度補正手段は、目標燃焼変動値への収束過程の開度の極大値及び極小値について重み係数を乗じた内分値に基づいて開度補正値を算出することを特徴とするガスエンジン制御装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載のガスエンジン制御装置において、
前記開度補正手段は、目標燃焼変動値への収束過程の開度の極大値及び極小値を２回ずつ検出し、これら２つの極大値及び２つの極小値に基づいて開度補正値を算出することを特徴とするガスエンジン制御装置。
【図１】
【図２】
【図４】
【図５】
【図６】
【図３】
【図２】
【図４】
【図５】
【図６】
【図３】
【公開番号】特開２００９−２２８５７２（Ｐ２００９−２２８５７２Ａ）
【公開日】平成２１年１０月８日（２００９．１０．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−７５７７６（Ｐ２００８−７５７７６）
【出願日】平成２０年３月２４日（２００８．３．２４）
【出願人】（０００００６７８１）ヤンマー株式会社 (3,810)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月８日（２００９．１０．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月２４日（２００８．３．２４）
【出願人】（０００００６７８１）ヤンマー株式会社 (3,810)
【Ｆターム（参考）】
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