内燃機関の燃焼診断方法および燃焼診断装置
【課題】過早着火の判定と筒内圧力センサ異常の判定とを明確に識別して判定可能とすると共に、シリンダ内における過早着火の発生を運転状況に左右されずに広い負荷範囲で検知可能にして信頼性を高めた内燃機関の燃焼診断方法および燃焼診断装置を提供することを課題とする。
【解決手段】筒内圧力検出器により検出された筒内圧力検出値に基づいてシリンダ内の燃焼状態を診断する内燃機関（エンジン）の燃焼診断方法において、エンジンの着火前の所定クランク角度（α）における筒内圧力の変化の標準偏差（σＰα）を算出し該標準偏差（σＰα）が標準偏差閾値（β）以上で、かつ基準クランク角度と上死点とにおける筒内圧力の差圧（ΔＰ０）を算出し、該差圧（ΔＰ０）をエンジンによって駆動される被駆動機側の負荷率（Ｌ）で除した負荷率筒内差圧（ΔＰ０／Ｌ）が負荷率筒内差圧閾値（γ）以上であるときに過早着火が発生していると判定する。
【解決手段】筒内圧力検出器により検出された筒内圧力検出値に基づいてシリンダ内の燃焼状態を診断する内燃機関（エンジン）の燃焼診断方法において、エンジンの着火前の所定クランク角度（α）における筒内圧力の変化の標準偏差（σＰα）を算出し該標準偏差（σＰα）が標準偏差閾値（β）以上で、かつ基準クランク角度と上死点とにおける筒内圧力の差圧（ΔＰ０）を算出し、該差圧（ΔＰ０）をエンジンによって駆動される被駆動機側の負荷率（Ｌ）で除した負荷率筒内差圧（ΔＰ０／Ｌ）が負荷率筒内差圧閾値（γ）以上であるときに過早着火が発生していると判定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスエンジンおよびディーゼルエンジンを含む内燃機関における燃焼診断方法および燃焼診断装置に関するものであって、特に、シリンダ内における過早着火の発生を運転状況に左右されずに広い負荷範囲で検知可能にした内燃機関の燃焼診断方法および燃焼診断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関、特に都市ガス等の清浄ガスを主燃料とするガスエンジンにおいては、燃焼室内における燃焼状態を検知、診断し、その燃焼診断結果に適合した燃焼着火タイミングおよび燃料噴射量の制御が必須であるとともに、燃焼室内における失火や消炎および混合気濃度の不均一等によるノッキングの発生やシリンダ内における残留未燃燃料による過早着火の発生等の燃焼に係る不具合現象を確実に検知して、速やかに対応処置することが要求される。
【０００３】
このようなエンジンの燃焼室内における燃焼状態を検知、診断する診断装置として、特許文献１（特開平１０−２３８３７４号公報）、特許文献２（特開２００７−３２４０７号公報）等の技術が提案されている。
特許文献１においては、吸気中に燃料を供給して予混合する予混合着火内燃機関において、広い負荷範囲で着火時期を適切に制御するものであり、吸気中に燃料を供給して予混合する予混合燃料インジェクタと、燃焼室の容積を可変にして圧縮比を可変にする圧縮比可変機構とを備えて、負荷状態に基づく予混合燃料量に応じて圧縮比を可変とすることによって、どのような負荷状態においても着火時期前に自着火しないように制御することが示されている。
【０００４】
また、特許文献２においては、筒内圧力検出値に基づいて燃焼診断を行う技術が示されており、過早着火発生の有無を、筒内圧力が予め設定された過早着火しき値に基づく基準圧力値によって判定し、過早着火発生ありの場合に筒内圧力検出器の異常判定ロジックを停止し、過早着火発生なしの場合には筒内圧力検出器の異常判定ロジックに進む。これによって、筒内圧力検出器の異常判定の際に過早着火原因混入による誤診断を回避して燃焼診断誤差の発生を防止している。
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−２３８３７４号公報
【特許文献２】特開２００７−３２４０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
過早着火とは、一般的にシリンダ内に高温のすす等の未燃分の着火源が残留していると、次のサイクルで、該着火源を起点として本来の着火点よりも早期に着火燃焼する現象をいい、図６に示すように、本来の着火点（Ｆ点）よりも早期に着火燃焼し、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄで示すような正常な筒内圧力変化に対して、Ａ１、Ｂ１、Ｃ１、Ｄ１のように高く圧力変動が大きい筒内圧力変化となる。
そのため、過早着火が進行すると筒内圧力が高まり、例えば副室付きのガスエンジンにおいては、最悪の場合には副室容損などといった重大なトラブルが発生し、さらに容損したな副室の一部がシリンダライナを傷つけたり、排気弁に衝突したり、ターボチャージャーに侵入して傷つける等のおそれがある。
【０００７】
従って、この過早着火を適切に検出して燃焼を制御する必要があるが、そのための燃焼診断装置として上死点前１５°〜４０°における着火前の筒内圧力を検出して判定することが行われている。
【０００８】
しかし、かかる判定手法であると筒内圧力を検出する筒内圧力センサの異常判定に着火前の特定のクランク角での筒内圧力の検出値を利用しているため、過早着火による圧力の急激な上昇であってもセンサ異常と誤判定することが多々あり、誤判定した場合にはセンサ異常の判定が他の判定よりも優先されるように設定されているので一定時間に渡って他の判定が無視され、所定の運転条件で運転が進められる。その結果、圧縮初期から着火して過早着火現象が生じていてもセンサ異常と判定されてしまい過早着火を検知することができない問題があった。
さらに、エンジン負荷によって筒内圧力特性が変化するため、運転状況に左右されずに広い負荷範囲での過早着火の検出が不十分であった。
【０００９】
そのため、着火前の筒内圧力を検出して判定するセンサ異常判定と過早着火とを区別し、しかもエンジンの運転状況に左右されずに確実に判定することが必要となる。
しかし、特許文献１の技術は前記したように予混合燃料インジェクタと、燃焼室の容積を可変にする圧縮比可変機構とを備えて、どのような負荷状態においても着火時期前に自着火しないように制御するもので、着火前の筒内圧力を検出して判定するセンサ異常判定と過早着火とを区別して判定する手段については提案されていない。
【００１０】
また、特許文献２の技術は、前記したように筒内圧力検出器の異常判定の際に過早着火原因混入による誤診断を回避して燃焼診断誤差の発生を防止することが示されているが、所定のクランク角における筒内圧力検出値のみで判定しているため、エンジン負荷に応じた判定が考慮されていないため、運転状況に左右されずに広い負荷範囲での判定には不十分である。
【００１１】
そこで、本発明は、このような背景に鑑みてなされたものであり、過早着火の判定と筒内圧力センサ異常の判定とを明確に識別して判定可能とすると共に、シリンダ内における過早着火の発生を運転状況に左右されずに広い負荷範囲で検知可能にして信頼性を高めた内燃機関の燃焼診断方法および燃焼診断装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記課題を解決するために本出願の第１発明は、内燃機関の燃焼診断方法に関し、筒内圧力検出器により検出された筒内圧力検出値に基づいてシリンダ内の燃焼状態を診断する内燃機関（エンジン）の燃焼診断方法において、エンジンの着火前の所定クランク角度（α）における筒内圧力の変化の標準偏差（σＰα）を算出し該標準偏差（σＰα）が標準偏差閾値（β）以上で、かつ基準クランク角度と上死点とにおける筒内圧力の差圧（ΔＰ０）を算出し、該差圧（ΔＰ０）をエンジンによって駆動される被駆動機側の負荷率（Ｌ）で除した負荷率筒内差圧（ΔＰ０／Ｌ）が負荷率筒内差圧閾値（γ）以上であるときに過早着火が発生していると判定することを特徴とする。
【００１３】
かかる発明によれば、エンジンの着火前の所定クランク角度（α）における筒内圧力の変化の標準偏差（σＰα）を算出し該標準偏差（σＰα）が標準偏差閾値（β）以上の第１判定条件だけでなく、この条件にさらに、基準クランク角度と上死点とにおける筒内圧力の差圧（ΔＰ０）を算出し、該差圧（ΔＰ０）をエンジンによって駆動される被駆動機側の負荷率（Ｌ）で除した負荷率筒内差圧（ΔＰ０／Ｌ）が負荷率筒内差圧閾値（γ）以上の第２の判定条件を付加して過早着火を判定する。
【００１４】
第１判定条件によって、エンジンの着火前の所定クランク角度（α）における筒内圧力の標準偏差（σＰα）を見ることで、筒内圧力センサの異常を判定でき、さらに、第２判定条件を付加することで、筒内圧力センサとは峻別して過早着火が発生していることが判別でき、さらに被駆動機側の負荷率（Ｌ）を考慮するため広いエンジン負荷範囲での判定が可能になる。
【００１５】
図４、５に示すように、図４は低負荷時（５０％）での筒内圧力変化状況を示し、図５は高負荷時（８０％）での筒内圧力変化状況を示し、エンジン負荷が上昇するにつれて正常運転時においても過早着火時においても、ΔＰ０、ΔＰｍａｘともに上昇していることがわかる。
ΔＰ０は、上死点前１８０°における筒内圧力Ｐ−１８０とクランク角度ゼロの上死点時における筒内圧力Ｐ０との相対差圧を示し、ΔＰｍａｘは、上死点前１８０°における筒内圧力Ｐ−１８０と筒内最大圧力Ｐｍａｘとの相対差圧を示す。
従って、負荷によって、筒内圧力特性が上下するため、過早着火時の判定においてエンジンの運転状況を示すエンジン負荷の影響を極力抑えて広い負荷範囲での判定できるようにするため、クランク角ゼロの上死点時の筒内圧力Ｐ０と基準クランク角（死点前１８０°）の筒内圧力Ｐ−１８０との相対差圧ΔＰ０を負荷率Ｌで除した負荷率筒内差圧（ΔＰ０／Ｌ）を用いて判定している。
このようにして負荷率で除して運転状況に左右されずに広い負荷範囲での判定できるようになる。
【００１６】
負荷率は、具体的には該エンジンで駆動する発電機の定格発電出力に対する実際の発電出力を用いて算出できる。
以上のように、過早着火の判定と筒内圧力センサ異常の判定とを明確に識別して判定可能となると共に、シリンダ内における過早着火の発生を運転状況に左右されずに広い負荷範囲で検知可能となり、内燃機関の燃焼診断結果の信頼性が高まる。
【００１７】
また、好ましくは、前記標準偏差閾値（β）以上の判定および前記負荷率筒内差圧閾値（γ）以上の判定をエンジンの１燃焼サイクル毎に行い、前記両判定が共に閾値以上の回数が基準サイクル数中に設定回数以上発生した場合に過早着火と判定するとよい。
このように両判定結果が閾値以上である場合が設定回数以上発生したときに過早着火と判定することで、判定の信頼性が向上する。
【００１８】
また、好ましくは、前記両判定が共に閾値以上の回数が基準サイクル数中に設定回数以上発生しない場合には前記筒内圧力検出器の異常と判定するとよい。
このように設定回数に達していないが、前記両判定が共に閾値以上になったサイクルがある場合には筒内圧力検出器の異常と判定することで、筒内圧力検出器の異常と過早着火とを区別して判定をすることができる。
【００１９】
さらに、好ましくは、前記過早着火の判定後の一定時間内に、前記過早着火であると判定した割合が一定値以上に達したときに、該過早着火と判定したシリンダへの燃料を停止して休筒運転状態するとよい。
このように一定時間の結果を見て総合的に判定することで過早着火が発生している気筒を確実に判定でき、早期に休筒運転状態とする対応処置をとることができる。その結果、副室付きのガスエンジンにおいて、副室容損などといった重大なトラブルの発生を未然に防止でき、さらに容損した副室の一部がシリンダライナを傷つけたり、排気弁に衝突したり、ターボチャージャーに侵入して傷つけたりする等の問題を回避できる。
【００２０】
さらに、好ましくは、前記エンジンがガスエンジンであり、前記被駆動機が発電機からなり、該発電機の発電出力を検出して該発電機の定格発電出力との割合から前記負荷率（Ｌ）を算出するとよい。
副室付きのガスエンジンにおいては、主燃焼室に予混合ガス燃料が吸気弁から吸入され、その予混合ガス燃料に副室内で生成された火種であるトーチによって燃焼が伝搬される。このため、シリンダ内に高温のすす等の未燃分の着火源が残留していると、次のサイクルで、主燃焼室に予混合ガスが吸気弁から吸入されると該着火源を起点として本来の燃焼よりも早期に着火する過早着火が生じやすいが、本発明ではかかる過早着火を前記発電機の発電出力を検出することで広い負荷範囲で確実に判定でき、さらに副室の容損等を防止することができる。
【００２１】
本出願の第２発明は、前記第１発明の内燃機関の燃焼診断方法を実施するための内燃機関の燃焼診断装置に関するものであり、筒内圧力検出器により検出された筒内圧力検出値に基づいてシリンダ内の燃焼状態を診断する内燃機関（エンジン）の燃焼診断装置において、前記筒内圧力検出器からの筒内圧力検出値およびクランク角検出器からのクランク角検出値に基づいてエンジンの着火前の所定クランク角度αにおける筒内圧力の変化の標準偏差（σＰα）を算出する標準偏差算出部と、前記標準偏差（σＰα）が標準偏差閾値（β）以上であるか否かを判定する標準偏差判定部と、前記筒内圧力検出器からの筒内圧力検出値およびクランク角検出器からのクランク角検出値に基づいて基準クランク角度と上死点とにおける筒内圧力の差圧（ΔＰ０）を算出する筒内差圧算出部と、前記差圧（ΔＰ０）をエンジンによって駆動される被駆動機側の負荷率（Ｌ）で除した負荷率筒内差圧（ΔＰ０／Ｌ）が負荷率筒内差圧閾値（γ）以上であるか否かを判定する負荷率筒内差圧判定部と、前記標準偏差判定手段によって前記標準偏差（σＰα）が標準偏差閾値（β）以上と判定し、前記負荷率筒内差圧判定手段によって負荷率筒内差圧（ΔＰ０／Ｌ）が負荷率筒内差圧閾値（γ）以上であと判定したときに、エンジンの過早着火を判定する過早着火判定部と、を備えたことを特徴とする。
【００２２】
係る発明によれば、標準偏差算出部によって、筒内圧力検出器からの筒内圧力検出値およびクランク角検出器からのクランク角検出値に基づいてエンジンの着火前の所定クランク角度（α）における筒内圧力の変化の標準偏差（σＰα）を算出し、さらに負荷率筒内差圧判定部によって、基準クランク角度と上死点とにおける筒内圧力の差圧（ΔＰ０）を、エンジンによって駆動される被駆動機側の負荷率（Ｌ）で除した負荷率筒内差圧（ΔＰ０／Ｌ）を算出し、過早着火判定部によって前記標準偏差（σＰα）と負荷率筒内差圧（ΔＰ０／Ｌ）とが、ともに閾値以上の場合に過早着火と判定するので、過早着火の判定と筒内圧力センサ異常の判定とを明確に識別して判定可能となると共に、シリンダ内における過早着火の発生を運転状況に左右されずに広い負荷範囲で検知可能となり、内燃機関の燃焼診断結果の信頼性が高まる。
【００２３】
また、係る装置発明において好ましくは、前記標準偏差判定部での標準偏差閾値（β）以上の判定、および前記負荷率筒内差圧判定部での負荷率筒内差圧閾値（γ）以上の判定をエンジンの１燃焼サイクル毎に行い、前記過早着火判定部は前記両判定が共に閾値以上の回数が基準サイクル数中に設定回数以上発生した場合に過早着火と判定し、両判定結果が、共に閾値以上の回数が基準サイクル数中に前記設定回数以上発生しない場合には前記筒内圧力検出器の異常と判定するとよい。
【００２４】
このように両判定結果が閾値以上である場合が設定回数以上発生したときに過早着火と判定することで、判定の信頼性が向上する。
設定回数に達していないが、前記両判定が共に閾値以上になったサイクルがある場合には筒内圧力検出器の異常と判定することで、筒内圧力検出器の異常と過早着火とを区別して判定をすることができる。
【００２５】
また、係る装置発明において好ましくは、エンジンの運転を制御する運転制御手段を備え、該運転制御手段は前記過早着火判定部からの過早着火であるとの判定結果を一定時間内に一定割合以上受けたとき該過早着火と判定したシリンダへの燃料を停止して休筒運転状態とするとよい。
係る発明によれば運転制御手段によって、過早着火が発生している気筒を確実に判定でき、早期に休筒運転状態とする対応処置を適切にとることができる。
【００２６】
また、係る装置発明において好ましくは、前記エンジンがガスエンジンであり、前記被駆動機が発電機からなり、該発電機の発電出力を検出して該発電機の定格発電出力との割合から前記負荷率（Ｌ）を算出する負荷率算出手段を備えるとよい。
係る発明では、負荷率算出手段によって、発電機の発電出力を検出して該発電機の定格発電出力との割合から前記負荷率（Ｌ）を算出でき、過早着火を広い負荷範囲で確実に判定できる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、過早着火の判定と筒内圧力センサ異常の判定とを明確に識別して判定可能とすると共に、シリンダ内における過早着火の発生を運転状況に左右されずに広い負荷範囲で検知可能にして信頼性を高めた内燃機関の燃焼診断方法および燃焼診断装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。但しこの実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
【００２９】
なお、実施形態の説明で参照する図面は次の通りである。
図１は本発明の実施形態の燃焼診断装置の制御フローチャートである。図２は、本発明の実施形態を示すガスエンジンシの燃焼診断装置を示す全体構成図である。図３は、過早着火時の筒内圧力変化状況を示す説明図である。図４は、低負荷時の過早着火発生時と正常時との筒内圧力変化状況を記す説明図である。図５は、高負荷時の過早着火発生時と正常時との筒内圧力変化状況を記す説明図である。図６は、ガスエンジンの過早着火発生の筒内圧力変化状況を記す説明図である。
【００３０】
図２は本発明の実施形態に係るガスエンジンの燃焼診断装置４０の全体構成を示す構成図である。
図２において、ガスエンジン２は多シリンダの４サイクルガスエンジであり、シリンダ４内に往復摺動自在に嵌合されたピストン６、該ピストン６の往復動をコネクチングロッド８を介して回転に変換するクランク軸１０を備えている。
また、前記ガスエンジン２は、ピストン６の上面とシリンダ４の内面との間に区画形成される燃焼室１２、該燃焼室１２に接続される給気ポート１４及び給気管１６、該給気ポート１４を開閉する給気弁１８を備え、さらに前記燃焼室１２に接続される排気ポート２０、該排気ポート２０を開閉する排気弁２２を備えている。
【００３１】
前記給気管１６の途中にはガスミキサー２４が設置され、燃料ガス管２６からガス量調整弁２８を通して供給された燃料ガスと図示しない過給機から供給された圧縮空気（過給機を備えない場合は無過給空気）とを該ガスミキサー２４で混合し、この予混合ガスを前記給気ポート１４及び給気弁１８を通して燃焼室１２に供給する。
着火装置３０は、図示しない副室内に軽油等のパイロット燃料３２を噴射ノズル３４により噴射して着火燃焼させ、この燃焼火炎を前記燃焼室１２に噴出するパイロット噴射装置で構成されている。
【００３２】
燃料制御装置３６はガス量調整弁２８の開度または開時間を制御すると共に、前記噴射ノズル３４へのパイロット燃料３２の供給を制御してガスエンジンの運転を制御している。
また、ガスエンジン２の、各シリンダ筒内圧力は筒内圧力検出器（筒内圧力センサ）３８で計測され、燃焼診断装置４０に入力される。
また、前記燃焼診断装置４０にはクランク角検出器４２によって検出されたガスエンジン２のクランク角の検出値が入力される。
【００３３】
また、このガスエンジン２のエンジン負荷はガスエンジン２によって駆動される発電機４４の発電電力が負荷信号として燃焼診断装置４０に入力される。また、発電機４４を設置しなくても、クランク軸１０に負荷検出器を装着してエンジン負荷を検出するようにしても良いことは勿論である。
【００３４】
燃焼診断装置４０は、過早着火判定手段４６と運転制御手段４８とから構成され、さらにこの過早着火判定手段４６は、筒内圧力検出器３８からの筒内圧力検出値およびクランク角検出器４２からのクランク角検出値に基づいてエンジンの着火前の所定クランク角度αにおける筒内圧力の変化の標準偏差σＰαを算出する標準偏差算出部５０と、標準偏差σＰαが標準偏差閾値β以上であるか否かを判定する標準偏差判定部５２と、筒内圧力検出器３８からの筒内圧力検出値およびクランク角検出器４２からのクランク角検出値に基づいて基準クランク角度と上死点とにおける筒内圧力の差圧ΔＰ０を算出する筒内差圧算出部５４と、該差圧ΔＰ０をエンジンによって駆動される発電機４４の負荷率Ｌで除した負荷率筒内差圧ΔＰ０／Ｌが負荷率筒内差圧閾値γ以上であるか否かを判定する負荷率筒内差圧判定部５６と、標準偏差σＰαが標準偏差閾値β以上かを判定するとともに、負荷率筒内差圧ΔＰ０／Ｌが負荷率筒内差圧閾値γ以上であるかを判定して、エンジンの過早着火を判定する過早着火判定部５８と、負荷率算出部６０とを備えて構成されている。
さらに、前記運転制御手段４８は、燃料制御装置３６を制御して各気筒に対するパイロット燃料３２の供給、ガス量調整弁２８の制御による燃料ガス量の制御を行っている。
【００３５】
次に、図１に基づいて燃焼診断装置４０による過早着火判定の制御について説明する。
図１の制御フローがガスエンジン２の１燃焼サイクル毎に実施されサイクル毎の燃焼状態が、図１のステップＳ１〜Ｓ５によって判定される。
その後、前記毎サイクルの瞬時の過早着火の判定結果に基づいてステップＳ６〜Ｓ１０によって総合的な判定を行いその結果に基づいてガスエンジンの運転制御が行われる。すなわち、ステップＳ１〜５を瞬時判定といい、ステップＳ６〜Ｓ１０を総合判定という。この瞬時判定が前記過早着火判定手段４６によって行われ、総合判定が運転制御手段４８によって行われる。
【００３６】
まずステップＳ１でスタートすると、ステップＳ２で、標準偏差算出部５０によって、筒内圧力検出器３８からの筒内圧力検出値、およびクランク角検出器４２からのクランク角検出値に基づいてエンジン２の着火前の所定クランク角度α、例えば上死点前４０度における筒内圧力の変化の標準偏差σＰ−４０を算出する。１燃焼サイクル毎に制御フローが実行されて、標準偏差σＰ−４０は、例えば１６サイクル中の標準偏差によって判定される。
標準偏差判定部５２ではこの上死点前４０度における筒内圧力の変化の標準偏差σＰ−４０が標準偏差閾値β、例えば０．１以上であるか否かを判定する。標準偏差σＰ−４０が標準偏差閾値β＝０．１以上の場合には次のステップＳ３へ進み、０．１を超えなかった場合にはステップＳ９へ進み、その他ノッキングの判定や失火の判定へと進む。
【００３７】
上死点前４０度における筒内圧力の変化状況を図３に示す。この変化特性から分かるように過早着火の発生によって図３のＨ領域に示すように筒内圧力が急変する。この過早着火の発生による筒内圧力の変化を、標準偏差σＰ−４０を算出することで検出して判定要素としている。
【００３８】
上死点前４０度としたのは、ガスエンジンの着火タイミングはほぼ上死点前１０度〜２０度であるため、その前の過早着火を確実に判定するために上死点前４０度とした。
また、標準偏差閾値βの０．１については、同一機種のエンジンで予め台上試験を行い過早着火が発生したエンジンと過早着火が発生していないエンジンとを複数台比較試験をし、標準偏差閾値を予め設定しておく、本実施形態の場合には、試験結果からβ＝０．１と設定した。この試験結果の一例を表１に示す。
【００３９】
表１から分かるように、標準偏差σＰ−４０は、過早着火が発生すると、標準偏差が１０倍以上にもバラツキ、本実施形態の場合においては０．１と設定することで確実に判定することができる。
【００４０】
【表１】
【００４１】
次に、図１のフローチャートのステップＳ３に進み、筒内差圧算出部５４で筒内圧力検出器３８からの筒内圧力検出値、およびクランク角検出器４２からのクランク角検出値に基づいて基準クランク角、上死点前１８０度の筒内圧力Ｐ−１８０と、上死点における筒内圧力Ｐ０との差圧ΔＰ０＝Ｐ０−Ｐ−１８０を算出する。
そして、算出した前記差圧ΔＰ０をエンジン負荷、即ちガスエンジン２によって駆動される被駆動機側の発電機４４の負荷率Ｌで除した負荷率筒内差圧ΔＰ０／Ｌを求める。負荷率Ｌは、発電機４４の定格発電出力に対する実際の発電電力の割合から負荷率Ｌを算出する。
【００４２】
そして、負荷率筒内差圧判定部５６で、この負荷率筒内差圧ΔＰ０／Ｌが負荷率筒内差圧閾値γ、例えば２０以上であるか否かを判定する。負荷率筒内差圧ΔＰ０／Ｌが負荷率筒内差圧閾値γ＝２０以上の場合には次のステップＳ４へ進み、２０を超えなかった場合にはステップＳ８へ進み筒内圧力センサ３８の異常と判定する。
【００４３】
負荷率筒内差圧閾値γ＝２０については、予め台上試験を行い過早着火が発生したエンジンと過早着火が発生していないエンジンとを比較して閾値を設定しておく、本実施形態の場合には、試験結果からγ＝２０と設定した。この試験結果の一例は前記表１に示す。表１の結果から分かるように、負荷率筒内差圧閾値γは、過早着火が発生すると、２０を超えていることがわかるため、２０以上の場合には過早着火が発生したとして判断することができる。
【００４４】
次に、フローチャートのステップＳ４に進み、過早着火判定部５８においてステップＳ３での判定結果が、ＹＥＳの場合、即ち負荷率筒内差圧閾値γが２０以上になったかの条件Ａが満たされる場合には、このＹＥＳの発生回数が設定回数Ｎに達したかが判定される。
制御ルーチンは１燃焼サイクル毎に判定されるため、例えば１０サイクルを判定基準ブロックとして設定し、この１０サイクル中に前記ＹＥＳの判定が例えば４回に達したかを判定する。達していればステップＳ５で過早着火と判定し、前記ＹＥＳの判定が４回に達しなかった場合には、ステップＳ８へ進み筒内圧力センサ３８の異常と判定する。
【００４５】
このように、１０サイクル中に前記ステップ３でのＹＥＳの判定が４回に達したことによって過早着火を判定するため、判定の信頼性が向上する。
また、４回には達していないが、前記両判定が共に閾値以上になったサイクルがある場合には筒内圧力センサ３８の異常と判定することで、筒内圧力センサ３８の異常と過早着火との判定を区別できる。
【００４６】
次にステップＳ６に進み、運転制御手段４８では、前記ステップＳ５からの過早着火の判定結果を受けてから、設定時間Ｔ例えば５〜１３秒の間にステップＳ５からの過早着火の判定結果をカウントし、過早着火の割合を算定する。算出した割合が設定基準値Ｐ＝６０％以上の場合には、ステップＳ７に進み、ガスエンジン２の燃焼状態の最終的な判定結果として過早着火を判定する。
【００４７】
その結果、運転制御手段４８は燃料制御装置３６に判定対象とされた気筒へのガス燃料の供給を停止する信号を送信して対象気筒を休筒状態とする。そしてステップＳ１０で終了してリターンする。
このように設定時間Ｔ例えば５〜１３秒内に過早着火の判定結果が占める割合を基に過早着火の判定を総合的に最終判断するため、判定結果の信頼性が高まり、早期に休筒運転状態とする対応処置を適切にとることができる。
【００４８】
また、ステップＳ６で、過早着火の占有割合が例えば設定基準値Ｐ＝６０％に達しないときには、ステップＳ８へ進み筒内圧力センサ３８の異常と判定して、ステップＳ１０で終了してリターンする。ステップＳ８での筒内圧力センサ３８の異状を判定したときには、燃料供給停止はせずに既定の運転条件で運転を維持する。
【００４９】
以上の実施形態の制御フローによれば、ステップＳ２でエンジンの着火前に相当する上死点前４０度の筒内圧力の標準偏差σＰ−４０を標準偏差閾値の０．１と比較して、筒内圧力センサ３８の異常を判定することができ、さらに、ステップ３でさらに負荷率筒内差圧ΔＰ０／Ｌを負荷率筒内差圧閾値２０と比較して、過早着火の発生を判定することができ、筒内圧力センサ３８の異状とは峻別して過早着火が発生していることが判別できる。
【００５０】
さらにエンジン負荷である発電機４４の負荷率Ｌを考慮して、判定要素として負荷率筒内差圧ΔＰ０／Ｌを新たに設定して、その値を評価要素として用いて判定するので、運転状況に左右されずに広い負荷範囲で判定を可能にして信頼性の高い内燃機関の燃焼診断方法および燃焼診断装置を提供できる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明によれば、過早着火の判定と筒内圧力センサ異常の判定とを明確に識別して判定可能とすると共に、シリンダ内における過早着火の発生を運転状況に左右されずに広い負荷範囲で検知可能にして信頼性を高めた内燃機関の燃焼診断方法および燃焼診断装置を提供することができるので、ガスエンジンの燃焼診断装置への適用に際して有益である。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の実施形態の燃焼診断装置の制御フローチャートである。
【図２】本発明の実施形態を示すガスエンジンシの燃焼診断装置を示す全体構成図である。
【図３】過早着火時の筒内圧力変化状況を示す説明図である。
【図４】低負荷時の過早着火発生時と正常時との筒内圧力変化状況を記す説明図である。
【図５】高負荷時の過早着火発生時と正常時との筒内圧力変化状況を記す説明図である。
【図６】ガスエンジンの過早着火発生の筒内圧力変化状況を記す説明図である。
【符号の説明】
【００５３】
２ ガスエンジン（エンジン）
１０ クランク軸
３６ 燃料制御装置
３８ 筒内圧力センサ（筒内圧力検出器）
４０ 燃焼診断装置
４２ クランク角検出器
４４ 発電機
４６ 過早着火判定手段
４８ 運転制御手段
５０ 標準偏差算出部
５２ 標準偏差判定部
５４ 筒内差圧算出部
５６ 負荷率筒内差圧判定部
５８ 過早着火判定部
６０ 負荷率算出部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスエンジンおよびディーゼルエンジンを含む内燃機関における燃焼診断方法および燃焼診断装置に関するものであって、特に、シリンダ内における過早着火の発生を運転状況に左右されずに広い負荷範囲で検知可能にした内燃機関の燃焼診断方法および燃焼診断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関、特に都市ガス等の清浄ガスを主燃料とするガスエンジンにおいては、燃焼室内における燃焼状態を検知、診断し、その燃焼診断結果に適合した燃焼着火タイミングおよび燃料噴射量の制御が必須であるとともに、燃焼室内における失火や消炎および混合気濃度の不均一等によるノッキングの発生やシリンダ内における残留未燃燃料による過早着火の発生等の燃焼に係る不具合現象を確実に検知して、速やかに対応処置することが要求される。
【０００３】
このようなエンジンの燃焼室内における燃焼状態を検知、診断する診断装置として、特許文献１（特開平１０−２３８３７４号公報）、特許文献２（特開２００７−３２４０７号公報）等の技術が提案されている。
特許文献１においては、吸気中に燃料を供給して予混合する予混合着火内燃機関において、広い負荷範囲で着火時期を適切に制御するものであり、吸気中に燃料を供給して予混合する予混合燃料インジェクタと、燃焼室の容積を可変にして圧縮比を可変にする圧縮比可変機構とを備えて、負荷状態に基づく予混合燃料量に応じて圧縮比を可変とすることによって、どのような負荷状態においても着火時期前に自着火しないように制御することが示されている。
【０００４】
また、特許文献２においては、筒内圧力検出値に基づいて燃焼診断を行う技術が示されており、過早着火発生の有無を、筒内圧力が予め設定された過早着火しき値に基づく基準圧力値によって判定し、過早着火発生ありの場合に筒内圧力検出器の異常判定ロジックを停止し、過早着火発生なしの場合には筒内圧力検出器の異常判定ロジックに進む。これによって、筒内圧力検出器の異常判定の際に過早着火原因混入による誤診断を回避して燃焼診断誤差の発生を防止している。
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−２３８３７４号公報
【特許文献２】特開２００７−３２４０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
過早着火とは、一般的にシリンダ内に高温のすす等の未燃分の着火源が残留していると、次のサイクルで、該着火源を起点として本来の着火点よりも早期に着火燃焼する現象をいい、図６に示すように、本来の着火点（Ｆ点）よりも早期に着火燃焼し、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄで示すような正常な筒内圧力変化に対して、Ａ１、Ｂ１、Ｃ１、Ｄ１のように高く圧力変動が大きい筒内圧力変化となる。
そのため、過早着火が進行すると筒内圧力が高まり、例えば副室付きのガスエンジンにおいては、最悪の場合には副室容損などといった重大なトラブルが発生し、さらに容損したな副室の一部がシリンダライナを傷つけたり、排気弁に衝突したり、ターボチャージャーに侵入して傷つける等のおそれがある。
【０００７】
従って、この過早着火を適切に検出して燃焼を制御する必要があるが、そのための燃焼診断装置として上死点前１５°〜４０°における着火前の筒内圧力を検出して判定することが行われている。
【０００８】
しかし、かかる判定手法であると筒内圧力を検出する筒内圧力センサの異常判定に着火前の特定のクランク角での筒内圧力の検出値を利用しているため、過早着火による圧力の急激な上昇であってもセンサ異常と誤判定することが多々あり、誤判定した場合にはセンサ異常の判定が他の判定よりも優先されるように設定されているので一定時間に渡って他の判定が無視され、所定の運転条件で運転が進められる。その結果、圧縮初期から着火して過早着火現象が生じていてもセンサ異常と判定されてしまい過早着火を検知することができない問題があった。
さらに、エンジン負荷によって筒内圧力特性が変化するため、運転状況に左右されずに広い負荷範囲での過早着火の検出が不十分であった。
【０００９】
そのため、着火前の筒内圧力を検出して判定するセンサ異常判定と過早着火とを区別し、しかもエンジンの運転状況に左右されずに確実に判定することが必要となる。
しかし、特許文献１の技術は前記したように予混合燃料インジェクタと、燃焼室の容積を可変にする圧縮比可変機構とを備えて、どのような負荷状態においても着火時期前に自着火しないように制御するもので、着火前の筒内圧力を検出して判定するセンサ異常判定と過早着火とを区別して判定する手段については提案されていない。
【００１０】
また、特許文献２の技術は、前記したように筒内圧力検出器の異常判定の際に過早着火原因混入による誤診断を回避して燃焼診断誤差の発生を防止することが示されているが、所定のクランク角における筒内圧力検出値のみで判定しているため、エンジン負荷に応じた判定が考慮されていないため、運転状況に左右されずに広い負荷範囲での判定には不十分である。
【００１１】
そこで、本発明は、このような背景に鑑みてなされたものであり、過早着火の判定と筒内圧力センサ異常の判定とを明確に識別して判定可能とすると共に、シリンダ内における過早着火の発生を運転状況に左右されずに広い負荷範囲で検知可能にして信頼性を高めた内燃機関の燃焼診断方法および燃焼診断装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記課題を解決するために本出願の第１発明は、内燃機関の燃焼診断方法に関し、筒内圧力検出器により検出された筒内圧力検出値に基づいてシリンダ内の燃焼状態を診断する内燃機関（エンジン）の燃焼診断方法において、エンジンの着火前の所定クランク角度（α）における筒内圧力の変化の標準偏差（σＰα）を算出し該標準偏差（σＰα）が標準偏差閾値（β）以上で、かつ基準クランク角度と上死点とにおける筒内圧力の差圧（ΔＰ０）を算出し、該差圧（ΔＰ０）をエンジンによって駆動される被駆動機側の負荷率（Ｌ）で除した負荷率筒内差圧（ΔＰ０／Ｌ）が負荷率筒内差圧閾値（γ）以上であるときに過早着火が発生していると判定することを特徴とする。
【００１３】
かかる発明によれば、エンジンの着火前の所定クランク角度（α）における筒内圧力の変化の標準偏差（σＰα）を算出し該標準偏差（σＰα）が標準偏差閾値（β）以上の第１判定条件だけでなく、この条件にさらに、基準クランク角度と上死点とにおける筒内圧力の差圧（ΔＰ０）を算出し、該差圧（ΔＰ０）をエンジンによって駆動される被駆動機側の負荷率（Ｌ）で除した負荷率筒内差圧（ΔＰ０／Ｌ）が負荷率筒内差圧閾値（γ）以上の第２の判定条件を付加して過早着火を判定する。
【００１４】
第１判定条件によって、エンジンの着火前の所定クランク角度（α）における筒内圧力の標準偏差（σＰα）を見ることで、筒内圧力センサの異常を判定でき、さらに、第２判定条件を付加することで、筒内圧力センサとは峻別して過早着火が発生していることが判別でき、さらに被駆動機側の負荷率（Ｌ）を考慮するため広いエンジン負荷範囲での判定が可能になる。
【００１５】
図４、５に示すように、図４は低負荷時（５０％）での筒内圧力変化状況を示し、図５は高負荷時（８０％）での筒内圧力変化状況を示し、エンジン負荷が上昇するにつれて正常運転時においても過早着火時においても、ΔＰ０、ΔＰｍａｘともに上昇していることがわかる。
ΔＰ０は、上死点前１８０°における筒内圧力Ｐ−１８０とクランク角度ゼロの上死点時における筒内圧力Ｐ０との相対差圧を示し、ΔＰｍａｘは、上死点前１８０°における筒内圧力Ｐ−１８０と筒内最大圧力Ｐｍａｘとの相対差圧を示す。
従って、負荷によって、筒内圧力特性が上下するため、過早着火時の判定においてエンジンの運転状況を示すエンジン負荷の影響を極力抑えて広い負荷範囲での判定できるようにするため、クランク角ゼロの上死点時の筒内圧力Ｐ０と基準クランク角（死点前１８０°）の筒内圧力Ｐ−１８０との相対差圧ΔＰ０を負荷率Ｌで除した負荷率筒内差圧（ΔＰ０／Ｌ）を用いて判定している。
このようにして負荷率で除して運転状況に左右されずに広い負荷範囲での判定できるようになる。
【００１６】
負荷率は、具体的には該エンジンで駆動する発電機の定格発電出力に対する実際の発電出力を用いて算出できる。
以上のように、過早着火の判定と筒内圧力センサ異常の判定とを明確に識別して判定可能となると共に、シリンダ内における過早着火の発生を運転状況に左右されずに広い負荷範囲で検知可能となり、内燃機関の燃焼診断結果の信頼性が高まる。
【００１７】
また、好ましくは、前記標準偏差閾値（β）以上の判定および前記負荷率筒内差圧閾値（γ）以上の判定をエンジンの１燃焼サイクル毎に行い、前記両判定が共に閾値以上の回数が基準サイクル数中に設定回数以上発生した場合に過早着火と判定するとよい。
このように両判定結果が閾値以上である場合が設定回数以上発生したときに過早着火と判定することで、判定の信頼性が向上する。
【００１８】
また、好ましくは、前記両判定が共に閾値以上の回数が基準サイクル数中に設定回数以上発生しない場合には前記筒内圧力検出器の異常と判定するとよい。
このように設定回数に達していないが、前記両判定が共に閾値以上になったサイクルがある場合には筒内圧力検出器の異常と判定することで、筒内圧力検出器の異常と過早着火とを区別して判定をすることができる。
【００１９】
さらに、好ましくは、前記過早着火の判定後の一定時間内に、前記過早着火であると判定した割合が一定値以上に達したときに、該過早着火と判定したシリンダへの燃料を停止して休筒運転状態するとよい。
このように一定時間の結果を見て総合的に判定することで過早着火が発生している気筒を確実に判定でき、早期に休筒運転状態とする対応処置をとることができる。その結果、副室付きのガスエンジンにおいて、副室容損などといった重大なトラブルの発生を未然に防止でき、さらに容損した副室の一部がシリンダライナを傷つけたり、排気弁に衝突したり、ターボチャージャーに侵入して傷つけたりする等の問題を回避できる。
【００２０】
さらに、好ましくは、前記エンジンがガスエンジンであり、前記被駆動機が発電機からなり、該発電機の発電出力を検出して該発電機の定格発電出力との割合から前記負荷率（Ｌ）を算出するとよい。
副室付きのガスエンジンにおいては、主燃焼室に予混合ガス燃料が吸気弁から吸入され、その予混合ガス燃料に副室内で生成された火種であるトーチによって燃焼が伝搬される。このため、シリンダ内に高温のすす等の未燃分の着火源が残留していると、次のサイクルで、主燃焼室に予混合ガスが吸気弁から吸入されると該着火源を起点として本来の燃焼よりも早期に着火する過早着火が生じやすいが、本発明ではかかる過早着火を前記発電機の発電出力を検出することで広い負荷範囲で確実に判定でき、さらに副室の容損等を防止することができる。
【００２１】
本出願の第２発明は、前記第１発明の内燃機関の燃焼診断方法を実施するための内燃機関の燃焼診断装置に関するものであり、筒内圧力検出器により検出された筒内圧力検出値に基づいてシリンダ内の燃焼状態を診断する内燃機関（エンジン）の燃焼診断装置において、前記筒内圧力検出器からの筒内圧力検出値およびクランク角検出器からのクランク角検出値に基づいてエンジンの着火前の所定クランク角度αにおける筒内圧力の変化の標準偏差（σＰα）を算出する標準偏差算出部と、前記標準偏差（σＰα）が標準偏差閾値（β）以上であるか否かを判定する標準偏差判定部と、前記筒内圧力検出器からの筒内圧力検出値およびクランク角検出器からのクランク角検出値に基づいて基準クランク角度と上死点とにおける筒内圧力の差圧（ΔＰ０）を算出する筒内差圧算出部と、前記差圧（ΔＰ０）をエンジンによって駆動される被駆動機側の負荷率（Ｌ）で除した負荷率筒内差圧（ΔＰ０／Ｌ）が負荷率筒内差圧閾値（γ）以上であるか否かを判定する負荷率筒内差圧判定部と、前記標準偏差判定手段によって前記標準偏差（σＰα）が標準偏差閾値（β）以上と判定し、前記負荷率筒内差圧判定手段によって負荷率筒内差圧（ΔＰ０／Ｌ）が負荷率筒内差圧閾値（γ）以上であと判定したときに、エンジンの過早着火を判定する過早着火判定部と、を備えたことを特徴とする。
【００２２】
係る発明によれば、標準偏差算出部によって、筒内圧力検出器からの筒内圧力検出値およびクランク角検出器からのクランク角検出値に基づいてエンジンの着火前の所定クランク角度（α）における筒内圧力の変化の標準偏差（σＰα）を算出し、さらに負荷率筒内差圧判定部によって、基準クランク角度と上死点とにおける筒内圧力の差圧（ΔＰ０）を、エンジンによって駆動される被駆動機側の負荷率（Ｌ）で除した負荷率筒内差圧（ΔＰ０／Ｌ）を算出し、過早着火判定部によって前記標準偏差（σＰα）と負荷率筒内差圧（ΔＰ０／Ｌ）とが、ともに閾値以上の場合に過早着火と判定するので、過早着火の判定と筒内圧力センサ異常の判定とを明確に識別して判定可能となると共に、シリンダ内における過早着火の発生を運転状況に左右されずに広い負荷範囲で検知可能となり、内燃機関の燃焼診断結果の信頼性が高まる。
【００２３】
また、係る装置発明において好ましくは、前記標準偏差判定部での標準偏差閾値（β）以上の判定、および前記負荷率筒内差圧判定部での負荷率筒内差圧閾値（γ）以上の判定をエンジンの１燃焼サイクル毎に行い、前記過早着火判定部は前記両判定が共に閾値以上の回数が基準サイクル数中に設定回数以上発生した場合に過早着火と判定し、両判定結果が、共に閾値以上の回数が基準サイクル数中に前記設定回数以上発生しない場合には前記筒内圧力検出器の異常と判定するとよい。
【００２４】
このように両判定結果が閾値以上である場合が設定回数以上発生したときに過早着火と判定することで、判定の信頼性が向上する。
設定回数に達していないが、前記両判定が共に閾値以上になったサイクルがある場合には筒内圧力検出器の異常と判定することで、筒内圧力検出器の異常と過早着火とを区別して判定をすることができる。
【００２５】
また、係る装置発明において好ましくは、エンジンの運転を制御する運転制御手段を備え、該運転制御手段は前記過早着火判定部からの過早着火であるとの判定結果を一定時間内に一定割合以上受けたとき該過早着火と判定したシリンダへの燃料を停止して休筒運転状態とするとよい。
係る発明によれば運転制御手段によって、過早着火が発生している気筒を確実に判定でき、早期に休筒運転状態とする対応処置を適切にとることができる。
【００２６】
また、係る装置発明において好ましくは、前記エンジンがガスエンジンであり、前記被駆動機が発電機からなり、該発電機の発電出力を検出して該発電機の定格発電出力との割合から前記負荷率（Ｌ）を算出する負荷率算出手段を備えるとよい。
係る発明では、負荷率算出手段によって、発電機の発電出力を検出して該発電機の定格発電出力との割合から前記負荷率（Ｌ）を算出でき、過早着火を広い負荷範囲で確実に判定できる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、過早着火の判定と筒内圧力センサ異常の判定とを明確に識別して判定可能とすると共に、シリンダ内における過早着火の発生を運転状況に左右されずに広い負荷範囲で検知可能にして信頼性を高めた内燃機関の燃焼診断方法および燃焼診断装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。但しこの実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
【００２９】
なお、実施形態の説明で参照する図面は次の通りである。
図１は本発明の実施形態の燃焼診断装置の制御フローチャートである。図２は、本発明の実施形態を示すガスエンジンシの燃焼診断装置を示す全体構成図である。図３は、過早着火時の筒内圧力変化状況を示す説明図である。図４は、低負荷時の過早着火発生時と正常時との筒内圧力変化状況を記す説明図である。図５は、高負荷時の過早着火発生時と正常時との筒内圧力変化状況を記す説明図である。図６は、ガスエンジンの過早着火発生の筒内圧力変化状況を記す説明図である。
【００３０】
図２は本発明の実施形態に係るガスエンジンの燃焼診断装置４０の全体構成を示す構成図である。
図２において、ガスエンジン２は多シリンダの４サイクルガスエンジであり、シリンダ４内に往復摺動自在に嵌合されたピストン６、該ピストン６の往復動をコネクチングロッド８を介して回転に変換するクランク軸１０を備えている。
また、前記ガスエンジン２は、ピストン６の上面とシリンダ４の内面との間に区画形成される燃焼室１２、該燃焼室１２に接続される給気ポート１４及び給気管１６、該給気ポート１４を開閉する給気弁１８を備え、さらに前記燃焼室１２に接続される排気ポート２０、該排気ポート２０を開閉する排気弁２２を備えている。
【００３１】
前記給気管１６の途中にはガスミキサー２４が設置され、燃料ガス管２６からガス量調整弁２８を通して供給された燃料ガスと図示しない過給機から供給された圧縮空気（過給機を備えない場合は無過給空気）とを該ガスミキサー２４で混合し、この予混合ガスを前記給気ポート１４及び給気弁１８を通して燃焼室１２に供給する。
着火装置３０は、図示しない副室内に軽油等のパイロット燃料３２を噴射ノズル３４により噴射して着火燃焼させ、この燃焼火炎を前記燃焼室１２に噴出するパイロット噴射装置で構成されている。
【００３２】
燃料制御装置３６はガス量調整弁２８の開度または開時間を制御すると共に、前記噴射ノズル３４へのパイロット燃料３２の供給を制御してガスエンジンの運転を制御している。
また、ガスエンジン２の、各シリンダ筒内圧力は筒内圧力検出器（筒内圧力センサ）３８で計測され、燃焼診断装置４０に入力される。
また、前記燃焼診断装置４０にはクランク角検出器４２によって検出されたガスエンジン２のクランク角の検出値が入力される。
【００３３】
また、このガスエンジン２のエンジン負荷はガスエンジン２によって駆動される発電機４４の発電電力が負荷信号として燃焼診断装置４０に入力される。また、発電機４４を設置しなくても、クランク軸１０に負荷検出器を装着してエンジン負荷を検出するようにしても良いことは勿論である。
【００３４】
燃焼診断装置４０は、過早着火判定手段４６と運転制御手段４８とから構成され、さらにこの過早着火判定手段４６は、筒内圧力検出器３８からの筒内圧力検出値およびクランク角検出器４２からのクランク角検出値に基づいてエンジンの着火前の所定クランク角度αにおける筒内圧力の変化の標準偏差σＰαを算出する標準偏差算出部５０と、標準偏差σＰαが標準偏差閾値β以上であるか否かを判定する標準偏差判定部５２と、筒内圧力検出器３８からの筒内圧力検出値およびクランク角検出器４２からのクランク角検出値に基づいて基準クランク角度と上死点とにおける筒内圧力の差圧ΔＰ０を算出する筒内差圧算出部５４と、該差圧ΔＰ０をエンジンによって駆動される発電機４４の負荷率Ｌで除した負荷率筒内差圧ΔＰ０／Ｌが負荷率筒内差圧閾値γ以上であるか否かを判定する負荷率筒内差圧判定部５６と、標準偏差σＰαが標準偏差閾値β以上かを判定するとともに、負荷率筒内差圧ΔＰ０／Ｌが負荷率筒内差圧閾値γ以上であるかを判定して、エンジンの過早着火を判定する過早着火判定部５８と、負荷率算出部６０とを備えて構成されている。
さらに、前記運転制御手段４８は、燃料制御装置３６を制御して各気筒に対するパイロット燃料３２の供給、ガス量調整弁２８の制御による燃料ガス量の制御を行っている。
【００３５】
次に、図１に基づいて燃焼診断装置４０による過早着火判定の制御について説明する。
図１の制御フローがガスエンジン２の１燃焼サイクル毎に実施されサイクル毎の燃焼状態が、図１のステップＳ１〜Ｓ５によって判定される。
その後、前記毎サイクルの瞬時の過早着火の判定結果に基づいてステップＳ６〜Ｓ１０によって総合的な判定を行いその結果に基づいてガスエンジンの運転制御が行われる。すなわち、ステップＳ１〜５を瞬時判定といい、ステップＳ６〜Ｓ１０を総合判定という。この瞬時判定が前記過早着火判定手段４６によって行われ、総合判定が運転制御手段４８によって行われる。
【００３６】
まずステップＳ１でスタートすると、ステップＳ２で、標準偏差算出部５０によって、筒内圧力検出器３８からの筒内圧力検出値、およびクランク角検出器４２からのクランク角検出値に基づいてエンジン２の着火前の所定クランク角度α、例えば上死点前４０度における筒内圧力の変化の標準偏差σＰ−４０を算出する。１燃焼サイクル毎に制御フローが実行されて、標準偏差σＰ−４０は、例えば１６サイクル中の標準偏差によって判定される。
標準偏差判定部５２ではこの上死点前４０度における筒内圧力の変化の標準偏差σＰ−４０が標準偏差閾値β、例えば０．１以上であるか否かを判定する。標準偏差σＰ−４０が標準偏差閾値β＝０．１以上の場合には次のステップＳ３へ進み、０．１を超えなかった場合にはステップＳ９へ進み、その他ノッキングの判定や失火の判定へと進む。
【００３７】
上死点前４０度における筒内圧力の変化状況を図３に示す。この変化特性から分かるように過早着火の発生によって図３のＨ領域に示すように筒内圧力が急変する。この過早着火の発生による筒内圧力の変化を、標準偏差σＰ−４０を算出することで検出して判定要素としている。
【００３８】
上死点前４０度としたのは、ガスエンジンの着火タイミングはほぼ上死点前１０度〜２０度であるため、その前の過早着火を確実に判定するために上死点前４０度とした。
また、標準偏差閾値βの０．１については、同一機種のエンジンで予め台上試験を行い過早着火が発生したエンジンと過早着火が発生していないエンジンとを複数台比較試験をし、標準偏差閾値を予め設定しておく、本実施形態の場合には、試験結果からβ＝０．１と設定した。この試験結果の一例を表１に示す。
【００３９】
表１から分かるように、標準偏差σＰ−４０は、過早着火が発生すると、標準偏差が１０倍以上にもバラツキ、本実施形態の場合においては０．１と設定することで確実に判定することができる。
【００４０】
【表１】
【００４１】
次に、図１のフローチャートのステップＳ３に進み、筒内差圧算出部５４で筒内圧力検出器３８からの筒内圧力検出値、およびクランク角検出器４２からのクランク角検出値に基づいて基準クランク角、上死点前１８０度の筒内圧力Ｐ−１８０と、上死点における筒内圧力Ｐ０との差圧ΔＰ０＝Ｐ０−Ｐ−１８０を算出する。
そして、算出した前記差圧ΔＰ０をエンジン負荷、即ちガスエンジン２によって駆動される被駆動機側の発電機４４の負荷率Ｌで除した負荷率筒内差圧ΔＰ０／Ｌを求める。負荷率Ｌは、発電機４４の定格発電出力に対する実際の発電電力の割合から負荷率Ｌを算出する。
【００４２】
そして、負荷率筒内差圧判定部５６で、この負荷率筒内差圧ΔＰ０／Ｌが負荷率筒内差圧閾値γ、例えば２０以上であるか否かを判定する。負荷率筒内差圧ΔＰ０／Ｌが負荷率筒内差圧閾値γ＝２０以上の場合には次のステップＳ４へ進み、２０を超えなかった場合にはステップＳ８へ進み筒内圧力センサ３８の異常と判定する。
【００４３】
負荷率筒内差圧閾値γ＝２０については、予め台上試験を行い過早着火が発生したエンジンと過早着火が発生していないエンジンとを比較して閾値を設定しておく、本実施形態の場合には、試験結果からγ＝２０と設定した。この試験結果の一例は前記表１に示す。表１の結果から分かるように、負荷率筒内差圧閾値γは、過早着火が発生すると、２０を超えていることがわかるため、２０以上の場合には過早着火が発生したとして判断することができる。
【００４４】
次に、フローチャートのステップＳ４に進み、過早着火判定部５８においてステップＳ３での判定結果が、ＹＥＳの場合、即ち負荷率筒内差圧閾値γが２０以上になったかの条件Ａが満たされる場合には、このＹＥＳの発生回数が設定回数Ｎに達したかが判定される。
制御ルーチンは１燃焼サイクル毎に判定されるため、例えば１０サイクルを判定基準ブロックとして設定し、この１０サイクル中に前記ＹＥＳの判定が例えば４回に達したかを判定する。達していればステップＳ５で過早着火と判定し、前記ＹＥＳの判定が４回に達しなかった場合には、ステップＳ８へ進み筒内圧力センサ３８の異常と判定する。
【００４５】
このように、１０サイクル中に前記ステップ３でのＹＥＳの判定が４回に達したことによって過早着火を判定するため、判定の信頼性が向上する。
また、４回には達していないが、前記両判定が共に閾値以上になったサイクルがある場合には筒内圧力センサ３８の異常と判定することで、筒内圧力センサ３８の異常と過早着火との判定を区別できる。
【００４６】
次にステップＳ６に進み、運転制御手段４８では、前記ステップＳ５からの過早着火の判定結果を受けてから、設定時間Ｔ例えば５〜１３秒の間にステップＳ５からの過早着火の判定結果をカウントし、過早着火の割合を算定する。算出した割合が設定基準値Ｐ＝６０％以上の場合には、ステップＳ７に進み、ガスエンジン２の燃焼状態の最終的な判定結果として過早着火を判定する。
【００４７】
その結果、運転制御手段４８は燃料制御装置３６に判定対象とされた気筒へのガス燃料の供給を停止する信号を送信して対象気筒を休筒状態とする。そしてステップＳ１０で終了してリターンする。
このように設定時間Ｔ例えば５〜１３秒内に過早着火の判定結果が占める割合を基に過早着火の判定を総合的に最終判断するため、判定結果の信頼性が高まり、早期に休筒運転状態とする対応処置を適切にとることができる。
【００４８】
また、ステップＳ６で、過早着火の占有割合が例えば設定基準値Ｐ＝６０％に達しないときには、ステップＳ８へ進み筒内圧力センサ３８の異常と判定して、ステップＳ１０で終了してリターンする。ステップＳ８での筒内圧力センサ３８の異状を判定したときには、燃料供給停止はせずに既定の運転条件で運転を維持する。
【００４９】
以上の実施形態の制御フローによれば、ステップＳ２でエンジンの着火前に相当する上死点前４０度の筒内圧力の標準偏差σＰ−４０を標準偏差閾値の０．１と比較して、筒内圧力センサ３８の異常を判定することができ、さらに、ステップ３でさらに負荷率筒内差圧ΔＰ０／Ｌを負荷率筒内差圧閾値２０と比較して、過早着火の発生を判定することができ、筒内圧力センサ３８の異状とは峻別して過早着火が発生していることが判別できる。
【００５０】
さらにエンジン負荷である発電機４４の負荷率Ｌを考慮して、判定要素として負荷率筒内差圧ΔＰ０／Ｌを新たに設定して、その値を評価要素として用いて判定するので、運転状況に左右されずに広い負荷範囲で判定を可能にして信頼性の高い内燃機関の燃焼診断方法および燃焼診断装置を提供できる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明によれば、過早着火の判定と筒内圧力センサ異常の判定とを明確に識別して判定可能とすると共に、シリンダ内における過早着火の発生を運転状況に左右されずに広い負荷範囲で検知可能にして信頼性を高めた内燃機関の燃焼診断方法および燃焼診断装置を提供することができるので、ガスエンジンの燃焼診断装置への適用に際して有益である。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の実施形態の燃焼診断装置の制御フローチャートである。
【図２】本発明の実施形態を示すガスエンジンシの燃焼診断装置を示す全体構成図である。
【図３】過早着火時の筒内圧力変化状況を示す説明図である。
【図４】低負荷時の過早着火発生時と正常時との筒内圧力変化状況を記す説明図である。
【図５】高負荷時の過早着火発生時と正常時との筒内圧力変化状況を記す説明図である。
【図６】ガスエンジンの過早着火発生の筒内圧力変化状況を記す説明図である。
【符号の説明】
【００５３】
２ ガスエンジン（エンジン）
１０ クランク軸
３６ 燃料制御装置
３８ 筒内圧力センサ（筒内圧力検出器）
４０ 燃焼診断装置
４２ クランク角検出器
４４ 発電機
４６ 過早着火判定手段
４８ 運転制御手段
５０ 標準偏差算出部
５２ 標準偏差判定部
５４ 筒内差圧算出部
５６ 負荷率筒内差圧判定部
５８ 過早着火判定部
６０ 負荷率算出部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒内圧力検出器により検出された筒内圧力検出値に基づいてシリンダ内の燃焼状態を診断する内燃機関（エンジン）の燃焼診断方法において、
エンジンの着火前の所定クランク角度（α）における筒内圧力の変化の標準偏差（σＰα）を算出し該標準偏差（σＰα）が標準偏差閾値（β）以上で、かつ基準クランク角度と上死点とにおける筒内圧力の差圧（ΔＰ０）を算出し、該差圧（ΔＰ０）をエンジンによって駆動される被駆動機側の負荷率（Ｌ）で除した負荷率筒内差圧（ΔＰ０／Ｌ）が負荷率筒内差圧閾値（γ）以上であるときに過早着火が発生していると判定することを特徴とする内燃機関の燃焼診断方法。
【請求項２】
前記標準偏差閾値（β）以上の判定および前記負荷率筒内差圧閾値（γ）以上の判定をエンジンの１燃焼サイクル毎に行い、前記両判定が共に閾値以上の回数が基準サイクル数中に設定回数以上発生した場合に過早着火と判定することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の燃焼診断方法。
【請求項３】
前記両判定が共に閾値以上の回数が基準サイクル数中に設定回数以上発生しない場合には前記筒内圧力検出器の異常と判定することを特徴とする請求項２記載の内燃機関の燃焼診断方法。
【請求項４】
前記過早着火の判定後の一定時間内に、前記過早着火であると判定した割合が一定値以上に達したときに、該過早着火と判定したシリンダへの燃料を停止して休筒運転状態とすることを特徴とする請求項２記載の内燃機関の燃焼診断方法。
【請求項５】
前記エンジンがガスエンジンであり、前記被駆動機が発電機からなり、該発電機の発電出力を検出して該発電機の定格発電出力との割合から前記負荷率（Ｌ）を算出することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の燃焼診断方法。
【請求項６】
筒内圧力検出器により検出された筒内圧力検出値に基づいてシリンダ内の燃焼状態を診断する内燃機関（エンジン）の燃焼診断装置において、
前記筒内圧力検出器からの筒内圧力検出値およびクランク角検出器からのクランク角検出値に基づいてエンジンの着火前の所定クランク角度αにおける筒内圧力の変化の標準偏差（σＰα）を算出する標準偏差算出部と、
前記標準偏差（σＰα）が標準偏差閾値（β）以上であるか否かを判定する標準偏差判定部と、
前記筒内圧力検出器からの筒内圧力検出値およびクランク角検出器からのクランク角検出値に基づいて基準クランク角度と上死点とにおける筒内圧力の差圧（ΔＰ０）を算出する筒内差圧算出部と、
前記差圧（ΔＰ０）をエンジンによって駆動される被駆動機側の負荷率（Ｌ）で除した負荷率筒内差圧（ΔＰ０／Ｌ）が負荷率筒内差圧閾値（γ）以上であるか否かを判定する負荷率筒内差圧判定部と、
前記標準偏差判定手段によって前記標準偏差（σＰα）が標準偏差閾値（β）以上と判定し、前記負荷率筒内差圧判定手段によって負荷率筒内差圧（ΔＰ０／Ｌ）が負荷率筒内差圧閾値（γ）以上であと判定したときに、エンジンの過早着火を判定する過早着火判定部と、を備えたことを特徴とする内燃機関の燃焼診断装置。
【請求項７】
前記標準偏差判定部での標準偏差閾値（β）以上の判定、および前記負荷率筒内差圧判定部での負荷率筒内差圧閾値（γ）以上の判定をエンジンの１燃焼サイクル毎に行い、前記過早着火判定部は前記両判定が共に閾値以上の回数が基準サイクル数中に設定回数以上発生した場合に過早着火と判定することを特徴とする請求項６記載の内燃機関の燃焼診断装置。
【請求項８】
前記過早着火判定部は前記両判定が共に閾値以上の回数が基準サイクル数中に前記設定回数以上発生しない場合には前記筒内圧力検出器の異常と判定することを特徴とする請求項７記載の内燃機関の燃焼診断装置。
【請求項９】
エンジンの運転を制御する運転制御手段を備え、該運転制御手段は前記過早着火判定部からの過早着火であるとの判定結果を一定時間内に一定割合以上受けたとき該過早着火と判定したシリンダへの燃料を停止して休筒運転状態とすることを特徴とする請求項７記載の内燃機関の燃焼診断装置。
【請求項１０】
前記エンジンがガスエンジンであり、前記被駆動機が発電機からなり、該発電機の発電出力を検出して該発電機の定格発電出力との割合から前記負荷率（Ｌ）を算出する負荷率算出手段を備えたことを特徴とする請求項６記載の内燃機関の燃焼診断装置。
【請求項１】
筒内圧力検出器により検出された筒内圧力検出値に基づいてシリンダ内の燃焼状態を診断する内燃機関（エンジン）の燃焼診断方法において、
エンジンの着火前の所定クランク角度（α）における筒内圧力の変化の標準偏差（σＰα）を算出し該標準偏差（σＰα）が標準偏差閾値（β）以上で、かつ基準クランク角度と上死点とにおける筒内圧力の差圧（ΔＰ０）を算出し、該差圧（ΔＰ０）をエンジンによって駆動される被駆動機側の負荷率（Ｌ）で除した負荷率筒内差圧（ΔＰ０／Ｌ）が負荷率筒内差圧閾値（γ）以上であるときに過早着火が発生していると判定することを特徴とする内燃機関の燃焼診断方法。
【請求項２】
前記標準偏差閾値（β）以上の判定および前記負荷率筒内差圧閾値（γ）以上の判定をエンジンの１燃焼サイクル毎に行い、前記両判定が共に閾値以上の回数が基準サイクル数中に設定回数以上発生した場合に過早着火と判定することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の燃焼診断方法。
【請求項３】
前記両判定が共に閾値以上の回数が基準サイクル数中に設定回数以上発生しない場合には前記筒内圧力検出器の異常と判定することを特徴とする請求項２記載の内燃機関の燃焼診断方法。
【請求項４】
前記過早着火の判定後の一定時間内に、前記過早着火であると判定した割合が一定値以上に達したときに、該過早着火と判定したシリンダへの燃料を停止して休筒運転状態とすることを特徴とする請求項２記載の内燃機関の燃焼診断方法。
【請求項５】
前記エンジンがガスエンジンであり、前記被駆動機が発電機からなり、該発電機の発電出力を検出して該発電機の定格発電出力との割合から前記負荷率（Ｌ）を算出することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の燃焼診断方法。
【請求項６】
筒内圧力検出器により検出された筒内圧力検出値に基づいてシリンダ内の燃焼状態を診断する内燃機関（エンジン）の燃焼診断装置において、
前記筒内圧力検出器からの筒内圧力検出値およびクランク角検出器からのクランク角検出値に基づいてエンジンの着火前の所定クランク角度αにおける筒内圧力の変化の標準偏差（σＰα）を算出する標準偏差算出部と、
前記標準偏差（σＰα）が標準偏差閾値（β）以上であるか否かを判定する標準偏差判定部と、
前記筒内圧力検出器からの筒内圧力検出値およびクランク角検出器からのクランク角検出値に基づいて基準クランク角度と上死点とにおける筒内圧力の差圧（ΔＰ０）を算出する筒内差圧算出部と、
前記差圧（ΔＰ０）をエンジンによって駆動される被駆動機側の負荷率（Ｌ）で除した負荷率筒内差圧（ΔＰ０／Ｌ）が負荷率筒内差圧閾値（γ）以上であるか否かを判定する負荷率筒内差圧判定部と、
前記標準偏差判定手段によって前記標準偏差（σＰα）が標準偏差閾値（β）以上と判定し、前記負荷率筒内差圧判定手段によって負荷率筒内差圧（ΔＰ０／Ｌ）が負荷率筒内差圧閾値（γ）以上であと判定したときに、エンジンの過早着火を判定する過早着火判定部と、を備えたことを特徴とする内燃機関の燃焼診断装置。
【請求項７】
前記標準偏差判定部での標準偏差閾値（β）以上の判定、および前記負荷率筒内差圧判定部での負荷率筒内差圧閾値（γ）以上の判定をエンジンの１燃焼サイクル毎に行い、前記過早着火判定部は前記両判定が共に閾値以上の回数が基準サイクル数中に設定回数以上発生した場合に過早着火と判定することを特徴とする請求項６記載の内燃機関の燃焼診断装置。
【請求項８】
前記過早着火判定部は前記両判定が共に閾値以上の回数が基準サイクル数中に前記設定回数以上発生しない場合には前記筒内圧力検出器の異常と判定することを特徴とする請求項７記載の内燃機関の燃焼診断装置。
【請求項９】
エンジンの運転を制御する運転制御手段を備え、該運転制御手段は前記過早着火判定部からの過早着火であるとの判定結果を一定時間内に一定割合以上受けたとき該過早着火と判定したシリンダへの燃料を停止して休筒運転状態とすることを特徴とする請求項７記載の内燃機関の燃焼診断装置。
【請求項１０】
前記エンジンがガスエンジンであり、前記被駆動機が発電機からなり、該発電機の発電出力を検出して該発電機の定格発電出力との割合から前記負荷率（Ｌ）を算出する負荷率算出手段を備えたことを特徴とする請求項６記載の内燃機関の燃焼診断装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００９−１３３２８４（Ｐ２００９−１３３２８４Ａ）
【公開日】平成２１年６月１８日（２００９．６．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３１１４７５（Ｐ２００７−３１１４７５）
【出願日】平成１９年１１月３０日（２００７．１１．３０）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年６月１８日（２００９．６．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１１月３０日（２００７．１１．３０）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
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