JP2017172396A - Engine system and control method for engine system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料ガスと燃焼用空気との混合気を圧縮着火させ燃焼させるエンジンシステム、及びその制御方法に関する。 The present invention relates to an engine system that compresses and ignites an air-fuel mixture of fuel gas and combustion air, and a control method thereof.
これまで、多気筒エンジンにおいて、燃料ガスと燃焼用空気とを含む混合気を燃焼する燃焼室を有する通常気筒を少なくとも1つ備えると共に、混合気の少なくとも一部を燃焼室にて燃焼させ部分酸化反応させて、燃料ガスよりも燃焼速度の速いガスを含む改質ガスへ改質する再循環気筒を少なくとも1つ備え、再循環気筒にて改質された改質ガスを、少なくとも通常気筒へ導くエンジンが知られている(特許文献1を参照)。
例えば、メタンを主成分とする燃料ガスを含む過濃混合気を燃焼させ部分酸化反応させることで、水素、一酸化炭素及びアセチレン等を含む燃焼速度の速い改質ガスを生成できる。燃焼速度の速い水素等を含む改質ガスを通常気筒へ導くことで、水素等の高い燃焼速度により、希薄限界、EGR限界が拡大し、熱効率が向上する。
Conventionally, in a multi-cylinder engine, at least one normal cylinder having a combustion chamber for burning an air-fuel mixture including fuel gas and combustion air is provided, and at least a part of the air-fuel mixture is combusted in the combustion chamber for partial oxidation. At least one recirculation cylinder that reacts and reforms into a reformed gas containing a gas having a higher combustion speed than the fuel gas is provided, and the reformed gas reformed in the recirculation cylinder is guided to at least the normal cylinder An engine is known (see Patent Document 1).
For example, a reformed gas having a high combustion rate containing hydrogen, carbon monoxide, acetylene, and the like can be generated by burning a rich mixture containing a fuel gas containing methane as a main component and causing a partial oxidation reaction. By introducing the reformed gas containing hydrogen or the like having a high combustion speed to the normal cylinder, the lean limit and the EGR limit are expanded and the thermal efficiency is improved due to the high combustion speed of hydrogen or the like.
一方で、燃焼室に給気された燃料ガスと燃焼用空気との混合気を圧縮着火させ燃焼させる予混合圧縮着火エンジンにおいては、燃料ガスの燃焼速度よりも、着火性が重要になる。
説明を追加すると、例えば、SIエンジンでは、火花点火により着火時期を制御できるが、予混合圧縮着火エンジンでは、起動からの経過時間、エンジン負荷、空気比等の変化により、自着火の起こるタイミングが変化し、運転が継続できなくなる場合がある。
そこで、特許文献2に開示の技術にあっては、予混合圧縮着火エンジンにおいて、燃焼室の一部に、混合気よりも当量比が大きい濃混合気からなる濃領域を形成する燃料供給手段を備えると共に、燃焼状態検出手段の検出結果に基づいて、当該燃料供給手段による燃料の供給条件を制御する制御手段を備えている。
そして、燃焼室での燃焼状態により、燃焼室に形成される濃領域の形成状態を変化させることで、予混合圧縮着火エンジンの着火時期を制御し、運転範囲の拡大を図っている。
On the other hand, in a premixed compression ignition engine that compresses and ignites an air-fuel mixture of fuel gas supplied to the combustion chamber and combustion air, ignitability is more important than the combustion speed of the fuel gas.
For example, in the SI engine, the ignition timing can be controlled by spark ignition in the SI engine, but in the premixed compression ignition engine, the timing at which self-ignition occurs due to changes in the elapsed time from the start, engine load, air ratio, etc. It may change and the operation may not be continued.
Therefore, in the technique disclosed in
Then, the ignition state of the premixed compression ignition engine is controlled by changing the formation state of the concentrated region formed in the combustion chamber according to the combustion state in the combustion chamber, thereby expanding the operating range.
上記特許文献2に開示の技術では、ある程度の着火時期の制御はできるものの、その効果は限定的であり改善の余地があった。
Although the technique disclosed in
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、比較的簡易な構成を維持しながらも、着火性の制御を良好に行うことができると共に、その運転範囲を拡大することができるエンジンシステム、及びその制御方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to improve the ignitability while maintaining a relatively simple configuration and to expand the operating range. It is an object to provide an engine system that can be used and a control method thereof.
上記目的を達成するためのエンジンシステムは、
燃料ガスと燃焼用空気との混合気を圧縮着火させ燃焼させるエンジンシステムであって、その特徴構成は、
混合気を燃焼する通常気筒を少なくとも1つ備えると共に、混合気を燃焼すると共に燃焼後の燃焼ガスを少なくとも前記通常気筒へ再循環可能な再循環気筒を備え、
少なくとも前記通常気筒へ燃料ガスを供給する第1燃料ガス供給部と、前記再循環気筒へ燃料ガスを供給する第2燃料ガス供給部とを各別に備え、
前記再循環気筒から前記通常気筒へ導かれる前記燃焼ガスの少なくとも一部を水性ガスシフト反応させる触媒を備え、
前記再循環気筒での燃焼用空気に含まれる酸素に対する燃料ガスの供給比率を制御する形態で前記再循環気筒での混合気の空気過剰率を1より小さくして混合気の少なくとも一部を燃焼させ部分酸化反応させて燃料ガスよりも着火性の高い高着火性ガスが含まれる前記燃焼ガスとしての改質ガスを前記再循環気筒にて生成して再循環させる改質ガス再循環運転状態を実行可能に構成され、
前記改質ガス再循環運転状態にあるときに、前記再循環気筒にて生成される前記改質ガスの少なくとも一部を前記触媒へ通流させる水性ガスシフト反応制御を実行可能に構成されている点にある。
An engine system for achieving the above object is as follows:
An engine system that compresses and ignites an air-fuel mixture of fuel gas and combustion air, and its characteristic configuration is:
Including at least one normal cylinder for combusting the air-fuel mixture, and having a recirculation cylinder for combusting the air-fuel mixture and recirculating the combustion gas after combustion to at least the normal cylinder;
A first fuel gas supply unit for supplying fuel gas to at least the normal cylinder and a second fuel gas supply unit for supplying fuel gas to the recirculation cylinder;
A catalyst for causing a water gas shift reaction of at least a part of the combustion gas guided from the recirculation cylinder to the normal cylinder;
Combusting at least a part of the air-fuel mixture by reducing the excess air ratio of the air-fuel mixture in the recirculation cylinder to less than 1 in the form of controlling the supply ratio of fuel gas to oxygen contained in the combustion air in the recirculation cylinder A reformed gas recirculation operation state in which the reformed gas as the combustion gas containing the highly ignitable gas having higher ignitability than the fuel gas by the partial oxidation reaction is generated and recirculated in the recirculation cylinder. Configured to run,
The water gas shift reaction control that allows at least a part of the reformed gas generated in the recirculation cylinder to flow to the catalyst when in the reformed gas recirculation operation state is configured to be executable. It is in.
上記目的を達成するためのエンジンシステムの制御方法は、
燃料ガスと燃焼用空気との混合気を圧縮着火させ燃焼させるエンジンシステムの制御方法であって、その特徴構成は、
混合気を燃焼する通常気筒を少なくとも1つ備えると共に、混合気を燃焼すると共に燃焼後の燃焼ガスを少なくとも前記通常気筒へ再循環可能な再循環気筒を備え、
少なくとも前記通常気筒へ燃料ガスを供給する第1燃料ガス供給部と、前記再循環気筒へ燃料ガスを供給する第2燃料ガス供給部とを各別に備え、
前記再循環気筒から前記通常気筒へ導かれる前記燃焼ガスの少なくとも一部を水性ガスシフト反応させる触媒を備えた構成において、
前記再循環気筒での燃焼用空気に含まれる酸素に対する燃料ガスの供給比率を制御する形態で前記再循環気筒での混合気の空気過剰率を1より小さくして混合気の少なくとも一部を燃焼させ部分酸化反応させて燃料ガスよりも着火性の高い高着火性ガスが含まれる前記燃焼ガスとしての改質ガスを前記再循環気筒にて生成して再循環させる改質ガス再循環運転状態を実行するように制御され、
前記改質ガス再循環運転状態にあるときに、前記再循環気筒にて生成される前記改質ガスの少なくとも一部を前記触媒へ通流させる水性ガスシフト反応制御を実行するように制御される点にある。
An engine system control method for achieving the above object is as follows:
A control method for an engine system for compressing and igniting an air-fuel mixture of fuel gas and combustion air for combustion, the characteristic configuration of which is
Including at least one normal cylinder for combusting the air-fuel mixture, and having a recirculation cylinder for combusting the air-fuel mixture and recirculating the combustion gas after combustion to at least the normal cylinder;
A first fuel gas supply unit for supplying fuel gas to at least the normal cylinder and a second fuel gas supply unit for supplying fuel gas to the recirculation cylinder;
In a configuration including a catalyst that causes a water gas shift reaction of at least a part of the combustion gas guided from the recirculation cylinder to the normal cylinder,
Combusting at least a part of the air-fuel mixture by reducing the excess air ratio of the air-fuel mixture in the recirculation cylinder to less than 1 in the form of controlling the supply ratio of fuel gas to oxygen contained in the combustion air in the recirculation cylinder A reformed gas recirculation operation state in which the reformed gas as the combustion gas containing the highly ignitable gas having higher ignitability than the fuel gas by the partial oxidation reaction is generated and recirculated in the recirculation cylinder. Controlled to run,
Control is performed so as to execute water gas shift reaction control for allowing at least a part of the reformed gas generated in the recirculation cylinder to flow to the catalyst when in the reformed gas recirculation operation state. It is in.
図2に、縦軸を筒内ガス温度とし、横軸をクランク角度として、予混合圧縮着火エンジンの通常の予混合圧縮着火運転状態(図2で実線)と改質ガス再循環運転状態(ここでは、通常気筒へ燃焼ガスを再循環しない場合の通常気筒での混合気の着火性である基準着火性よりも高い着火性の改質ガスを再循環させる高着火性改質ガス再循環運転状態を意味するものとする:図2で一点鎖線)とにおいて、詳細化学反応計算により導出した、クランク角度に応じて筒内ガス温度の変化のグラフ図を示す。因みに、図2では、温度変化が変曲する点(図2にプロット)を着火点と定義し、当該着火点での筒内ガス温度を着火温度とする。
尚、図2の二点鎖線は、再循環気筒での燃焼用空気に含まれる酸素に対する燃料ガスの供給比率を制御する形態で再循環気筒での混合気の空気過剰率を1以上として再循環気筒から燃焼ガスとして改質ガスよりも着火性の低い燃焼排ガスを再循環させる排ガス再循環運転状態を示したものである。
本願の発明者らは、鋭意検討した結果、図2の詳細化学反応計算の結果に示すように、圧縮・膨張行程において、通常の予混合圧縮着火エンジンの予混合圧縮着火運転状態における着火温度に対して、改質ガス再循環運転状態における着火温度を低く(着火性を高く)できることを見出した。因みに、当該詳細化学反応計算は、圧縮比を26、当量比を0.3、改質ガスに含まれる水素濃度を8%、給気量に対する改質ガス又は燃焼排ガスの再循環量の割合を20%とした場合の計算結果である。また、発明者らは、後に示す実験結果においても、同様の傾向が示されることを確認している。
更に、発明者らは、上述した改質ガスには、一酸化炭素と水とが含まれており、当該一酸化炭素と水とを、触媒にて以下の〔式1〕に示す水性ガスシフト反応させることにより、改質ガスに含まれる水素の濃度を、以下の〔表1〕に示すように増加させることができることを化学平衡計算により明らかにした。
因みに、当該化学平衡計算は、当量比が1.5の混合気を燃焼室で燃焼させた場合で、排ガスの温度が477℃という条件で行ったものであり、各種気体の含有割合は水分を含まないドライベースのものである。
In FIG. 2, the vertical axis is the in-cylinder gas temperature, the horizontal axis is the crank angle, the normal premixed compression ignition operation state (solid line in FIG. 2) and the reformed gas recirculation operation state (here) Is a highly ignited reformed gas recirculation operation state in which the reformed gas having a higher ignitability than the reference ignitability, which is the ignitability of the air-fuel mixture in the normal cylinder, is not recirculated to the normal cylinder. In FIG. 2, a graph of the change in the in-cylinder gas temperature in accordance with the crank angle derived from the detailed chemical reaction calculation is shown. In FIG. 2, the point at which the temperature change is inflected (plotted in FIG. 2) is defined as the ignition point, and the in-cylinder gas temperature at the ignition point is defined as the ignition temperature.
Note that the two-dot chain line in FIG. 2 is a form in which the supply ratio of the fuel gas to the oxygen contained in the combustion air in the recirculation cylinder is controlled to recirculate the excess air ratio of the air-fuel mixture in the recirculation cylinder as 1 or more. The exhaust gas recirculation operation state in which the combustion exhaust gas having lower ignitability than the reformed gas as the combustion gas from the cylinder is recirculated is shown.
As a result of diligent study, the inventors of the present application, as shown in the result of detailed chemical reaction calculation in FIG. 2, set the ignition temperature in the premixed compression ignition operation state of the normal premixed compression ignition engine in the compression / expansion stroke. On the other hand, it has been found that the ignition temperature in the reformed gas recirculation operation state can be lowered (ignitability can be increased). Incidentally, in the detailed chemical reaction calculation, the compression ratio is 26, the equivalence ratio is 0.3, the hydrogen concentration contained in the reformed gas is 8%, and the ratio of the recirculation amount of the reformed gas or the combustion exhaust gas to the supply air amount is calculated. It is a calculation result in the case of 20%. The inventors have also confirmed that the same tendency is shown in the experimental results shown later.
Furthermore, the inventors include carbon monoxide and water in the above-described reformed gas, and the carbon monoxide and water are converted into a water gas shift reaction represented by the following [Formula 1] using a catalyst. It was clarified by chemical equilibrium calculation that the concentration of hydrogen contained in the reformed gas can be increased as shown in Table 1 below.
Incidentally, the chemical equilibrium calculation is performed when an air-fuel mixture with an equivalence ratio of 1.5 is burned in the combustion chamber and the temperature of the exhaust gas is 477 ° C. Does not contain dry base.
CO+H2O→CO2+H2・・・〔式1〕 CO + H 2 O → CO 2 + H 2 (Equation 1)
即ち、発明者らは、上記詳細化学反応計算、及び化学平衡計算により、再循環気筒での燃焼用空気に含まれる酸素に対する燃料ガスの供給比率を制御する形態で再循環気筒での混合気の空気過剰率を1より小さくして混合気の少なくとも一部を燃焼させ部分酸化反応させて燃料ガスよりも着火性の高い高着火性ガスが含まれる燃焼ガスとしての改質ガスを再循環気筒にて生成して再循環させる改質ガス再循環運転状態を実行可能に構成され、改質ガス再循環運転状態にあるときに、再循環気筒にて生成される改質ガスの少なくとも一部を触媒へ通流させる水性ガスシフト反応制御を実行可能に構成されている本発明を完成した。
当該発明により、再循環気筒での燃焼用空気に含まれる酸素に対する燃料ガスの供給比率の制御にて、改質ガスに含まれる高着火性ガスの含有割合を調整する形態で、着火性を制御でき、運転範囲の拡大を図ることができる。更に、当該発明にあっては、水性ガスシフト反応制御をも実行することができるから、改質ガスに含まれる高着火性ガスのうち水素の含有割合を調整する形態で、着火性を制御でき、より一層の運転範囲の拡大を図ることができる。
尚、当該明細書においては、燃焼室にて混合気が着火し易いことを、着火性が高いと表現し、燃焼室にて混合気が着火し難いことを、着火性が低いと表現することとする。
また、当該明細書においては、燃焼ガスは、改質ガスと燃焼排ガスとの双方を含む概念であるとする。
In other words, the inventors controlled the supply ratio of the fuel gas to the oxygen contained in the combustion air in the recirculation cylinder by controlling the mixture ratio in the recirculation cylinder by the above detailed chemical reaction calculation and chemical equilibrium calculation. A reformed gas as a combustion gas containing a highly ignitable gas having a higher ignitability than the fuel gas by burning at least a part of the air-fuel mixture with an excess air ratio less than 1 and causing a partial oxidation reaction to the recirculation cylinder The reformed gas recirculation operation state that is generated and recirculated is configured to be executable, and when in the reformed gas recirculation operation state, at least a part of the reformed gas generated in the recirculation cylinder is catalyzed. The present invention has been completed, which is configured so that water gas shift reaction control can be performed.
According to the present invention, the ignitability is controlled by adjusting the content ratio of the highly ignitable gas contained in the reformed gas by controlling the supply ratio of the fuel gas to the oxygen contained in the combustion air in the recirculation cylinder. The range of operation can be expanded. Furthermore, in the present invention, since water gas shift reaction control can also be performed, the ignitability can be controlled by adjusting the content ratio of hydrogen in the highly ignitable gas contained in the reformed gas, The operation range can be further expanded.
In this specification, the fact that the air-fuel mixture is easy to ignite in the combustion chamber is expressed as high ignitability, and the fact that the air-fuel mixture is difficult to ignite in the combustion chamber is expressed as low ignitability. And
In the specification, the combustion gas is a concept including both the reformed gas and the combustion exhaust gas.
上記目的を達成するためのエンジンシステムは、
燃料ガスと燃焼用空気との混合気を圧縮着火させ燃焼させる通常気筒を少なくとも一つ有すると共に、混合気を形成する燃料ガスを供給する第1燃料ガス供給部を有する予混合圧縮着火エンジンを備えたエンジンシステムであって、その特徴構成は、
混合気を燃焼すると共に燃焼後の燃焼ガスを前記通常気筒へ再循環可能な再循環気筒を有すると共に、前記再循環気筒へ燃料ガスを供給する第2燃料ガス供給部を前記第1燃料ガス供給部とは別に有する補助エンジンを備え、
前記再循環気筒から前記通常気筒へ導かれる前記燃焼ガスの少なくとも一部を水性ガスシフト反応させる触媒を備え、
前記再循環気筒での燃焼用空気に含まれる酸素に対する燃料ガスの供給比率を制御する形態で前記再循環気筒での混合気の空気過剰率を1より小さくして混合気の少なくとも一部を燃焼させ部分酸化反応させて燃料ガスよりも着火性の高い高着火性ガスが含まれる前記燃焼ガスとしての改質ガスを前記再循環気筒にて生成して再循環させる改質ガス再循環運転状態を実行可能に構成され、
前記改質ガス再循環運転状態にあるときに、前記再循環気筒にて生成される前記改質ガスの少なくとも一部を前記触媒へ通流させる水性ガスシフト反応制御を実行可能に構成されている点にある。
An engine system for achieving the above object is as follows:
A premixed compression ignition engine having at least one normal cylinder for compressing and igniting and burning an air-fuel mixture of fuel gas and combustion air and having a first fuel gas supply unit for supplying fuel gas forming the air-fuel mixture Engine system, and its characteristic configuration is
The first fuel gas supply includes a recirculation cylinder capable of combusting the air-fuel mixture and recirculating the combustion gas after combustion to the normal cylinder, and supplying a fuel gas to the recirculation cylinder. Auxiliary engine that has separate from the part,
A catalyst for causing a water gas shift reaction of at least a part of the combustion gas guided from the recirculation cylinder to the normal cylinder;
Combusting at least a part of the air-fuel mixture by reducing the excess air ratio of the air-fuel mixture in the recirculation cylinder to less than 1 in the form of controlling the supply ratio of fuel gas to oxygen contained in the combustion air in the recirculation cylinder A reformed gas recirculation operation state in which the reformed gas as the combustion gas containing the highly ignitable gas having higher ignitability than the fuel gas by the partial oxidation reaction is generated and recirculated in the recirculation cylinder. Configured to run,
The water gas shift reaction control that allows at least a part of the reformed gas generated in the recirculation cylinder to flow to the catalyst when in the reformed gas recirculation operation state is configured to be executable. It is in.
上記目的を達成するためのエンジンシステムの制御方法は、
燃料ガスと燃焼用空気との混合気を圧縮着火させ燃焼させる通常気筒を少なくとも一つ有すると共に、混合気を形成する燃料ガスを供給する第1燃料ガス供給部を有する予混合圧縮着火エンジンを備えたエンジンシステムの制御方法であって、その特徴構成は、
混合気を燃焼すると共に燃焼後の燃焼ガスを前記通常気筒へ再循環可能な再循環気筒を有すると共に、前記再循環気筒へ燃料ガスを供給する第2燃料ガス供給部を前記第1燃料ガス供給部とは別に有する補助エンジンを備え、
前記再循環気筒から前記通常気筒へ導かれる前記燃焼ガスの少なくとも一部を水性ガスシフト反応させる触媒を備えた構成において、
前記再循環気筒での燃焼用空気に含まれる酸素に対する燃料ガスの供給比率を制御する形態で前記再循環気筒での混合気の空気過剰率を1より小さくして混合気の少なくとも一部を燃焼させ部分酸化反応させて燃料ガスよりも着火性の高い高着火性ガスが含まれる前記燃焼ガスとしての改質ガスを前記再循環気筒にて生成して再循環させる改質ガス再循環運転状態を実行するように制御され、
前記改質ガス再循環運転状態にあるときに、前記再循環気筒にて生成される前記改質ガスの少なくとも一部を前記触媒へ通流させる水性ガスシフト反応制御を実行するように制御される点にある。
An engine system control method for achieving the above object is as follows:
A premixed compression ignition engine having at least one normal cylinder for compressing and igniting and burning an air-fuel mixture of fuel gas and combustion air and having a first fuel gas supply unit for supplying fuel gas forming the air-fuel mixture The engine system control method has the following features:
The first fuel gas supply includes a recirculation cylinder capable of combusting the air-fuel mixture and recirculating the combustion gas after combustion to the normal cylinder, and supplying a fuel gas to the recirculation cylinder. Auxiliary engine that has separate from the part,
In a configuration including a catalyst that causes a water gas shift reaction of at least a part of the combustion gas guided from the recirculation cylinder to the normal cylinder,
Combusting at least a part of the air-fuel mixture by reducing the excess air ratio of the air-fuel mixture in the recirculation cylinder to less than 1 in the form of controlling the supply ratio of fuel gas to oxygen contained in the combustion air in the recirculation cylinder A reformed gas recirculation operation state in which the reformed gas as the combustion gas containing the highly ignitable gas having higher ignitability than the fuel gas by the partial oxidation reaction is generated and recirculated in the recirculation cylinder. Controlled to run,
Control is performed so as to execute water gas shift reaction control for allowing at least a part of the reformed gas generated in the recirculation cylinder to flow to the catalyst when in the reformed gas recirculation operation state. It is in.
即ち、本発明のエンジンシステム及びその制御方法としては、外部出力を行うための通常気筒を有する予混合圧縮着火エンジンとは別に、改質ガスと燃焼排ガスとを含む燃焼ガスを生成するための再循環気筒を有する補助エンジンを備えるものをも権利範囲に含むものである。 That is, the engine system and the control method thereof according to the present invention include a regenerator for generating combustion gas including reformed gas and combustion exhaust gas separately from a premixed compression ignition engine having a normal cylinder for performing external output. Those having an auxiliary engine having a circulation cylinder are also included in the scope of rights.
エンジンシステムの更なる特徴構成は、
前記改質ガス再循環運転状態において前記再循環気筒での燃焼用空気に含まれる酸素に対する燃料ガスの供給比率を制御する形態で前記再循環気筒での混合気の空気過剰率を1より小さい範囲で制御する空気過剰率制御と、前記改質ガス再循環運転状態における前記水性ガスシフト反応制御との少なくとも何れか一方を実行する形態で、前記通常気筒での着火性を制御する着火性制御手段を備える点にある。
Further characteristic configuration of the engine system
The excess air ratio of the air-fuel mixture in the recirculation cylinder is smaller than 1 in the form of controlling the supply ratio of the fuel gas to the oxygen contained in the combustion air in the recirculation cylinder in the reformed gas recirculation operation state. An ignitability control means for controlling the ignitability in the normal cylinder in a form in which at least one of the excess air ratio control controlled by the control and the water gas shift reaction control in the reformed gas recirculation operation state is executed. It is in the point to prepare.
上記特徴構成によれば、改質ガス再循環運転状態における空気過剰率制御の実行により、改質ガスに対する、水素、一酸化炭素及びアセチレン等を含む高着火性ガスの含有割合を変更して、着火性をより細やかに制御でき、更に、改質ガス再循環運転状態における水性ガスシフト反応制御を実行することで、改質ガスにおける高着火性ガスとしての水素の含有割合を変更して、着火性をより細やかに制御できる。 According to the above characteristic configuration, by executing the excess air ratio control in the reformed gas recirculation operation state, the content ratio of the highly ignitable gas containing hydrogen, carbon monoxide, acetylene, etc. to the reformed gas is changed, The ignitability can be controlled more finely. Furthermore, by executing the water gas shift reaction control in the reformed gas recirculation operation state, the content ratio of hydrogen as a highly ignitable gas in the reformed gas is changed, and the ignitability is changed. Can be controlled more finely.
エンジンシステムの更なる特徴構成は、
前記通常気筒での着火時期を検出する着火時期検出手段を備え、
前記着火性制御手段は、前記着火時期検出手段にて検出される前記着火時期が目標着火時期よりも遅角化している場合に、前記通常気筒での着火性を向上させ、前記着火時期検出手段にて検出される前記着火時期が目標着火時期よりも進角化している場合に、着火性を低減させる点にある。
Further characteristic configuration of the engine system
Ignition timing detecting means for detecting the ignition timing in the normal cylinder,
The ignitability control means improves the ignitability in the normal cylinder when the ignition timing detected by the ignition timing detection means is retarded from a target ignition timing, and the ignition timing detection means In the case where the ignition timing detected at (1) is advanced from the target ignition timing, the ignitability is reduced.
本願に係る発明にあっては、通常気筒での着火時期を検出する着火時期検出手段を備え、着火性制御手段が、着火時期検出手段にて検出される着火時期が目標着火時期よりも遅角化している場合に、通常気筒での着火性を向上させ、着火時期検出手段にて検出される着火時期が目標着火時期よりも進角化している場合に、着火性を低減させることが好ましい。
上記特徴構成を備えることにより、着火時期を目標着火時期に制御する形態で、通常気筒の着火性をより適切な値に設定することができる。
The invention according to the present application includes ignition timing detection means for detecting the ignition timing in the normal cylinder, and the ignition timing control means is configured such that the ignition timing detected by the ignition timing detection means is delayed from the target ignition timing. If the ignition timing is improved, the ignitability in the normal cylinder is improved, and it is preferable to reduce the ignitability when the ignition timing detected by the ignition timing detection means is advanced from the target ignition timing.
With the above characteristic configuration, the ignitability of the normal cylinder can be set to a more appropriate value in a form in which the ignition timing is controlled to the target ignition timing.
エンジンシステムの更なる特徴構成は、
前記再循環気筒から前記通常気筒へ導かれる前記燃焼ガスを通流すると共に前記触媒が設けられる触媒流路と、前記触媒流路を通流する前記燃焼ガスに前記触媒をバイパスさせる触媒バイパス路と、前記触媒流路を通流する前記燃焼ガスの流量と前記触媒バイパス路を通流する前記燃焼ガスの流量との流量比を制御する流量比制御弁とを備え、
前記着火性制御手段は、前記水性ガスシフト反応制御において、前記流量比制御弁の開度を制御する形態で、前記触媒を通流させて前記水性ガスシフト反応させる前記改質ガスの流量を制御するシフト反応制御手段として働く点にある。
Further characteristic configuration of the engine system
A catalyst flow path through which the combustion gas guided from the recirculation cylinder to the normal cylinder flows and the catalyst is provided; a catalyst bypass path for bypassing the catalyst to the combustion gas flowing through the catalyst flow path; A flow ratio control valve for controlling a flow ratio between the flow rate of the combustion gas flowing through the catalyst flow path and the flow rate of the combustion gas flowing through the catalyst bypass path,
In the water gas shift reaction control, the ignitability control means controls the flow rate of the reformed gas that causes the water gas shift reaction to flow through the catalyst in the form of controlling the opening degree of the flow rate control valve. It works as a reaction control means.
上記特徴構成によれば、再循環気筒にて生成された改質ガスのうち、水性ガスシフト反応が行われる触媒を通流する流量を制御できる。
これにより、例えば、改質ガスに含まれる高着火性ガスとしての水素の含有割合の目標値が、改質ガス再循環運転状態における空気過剰率制御にて調整できる範囲の場合(例えば、改質ガスに対する水素の含有割合が0%以上8%程度以下の場合)には、改質ガス再循環運転状態における空気過剰率制御を実行することで、改質ガスに対する水素の含有割合を制御できるから、改質ガスの全量を触媒バイパス路に通流させる形態で、触媒の劣化を抑制できる。
一方、改質ガスに含まれる高着火性ガスとしての水素の含有割合の目標値が、改質ガス再循環運転状態における空気過剰率制御にて調整できる範囲を超える場合(例えば、改質ガスに対する水素の含有割合が8%を超える場合)には、改質ガス再循環運転状態における空気過剰率制御を実行すると共に、触媒に改質ガスを通過させて水性ガスシフト反応を行わせることで、改質ガスに対する水素の含有割合を、改質ガス再循環運転状態における空気過剰率制御にて調整できる上限値よりも高い値に調整できる。
これにより、触媒の劣化を抑制しながらも、運転範囲のより一層の拡大を実現できる。
According to the above characteristic configuration, it is possible to control the flow rate of the reformed gas generated in the recirculation cylinder through the catalyst in which the water gas shift reaction is performed.
Thereby, for example, when the target value of the content ratio of hydrogen as the highly ignitable gas contained in the reformed gas is within a range that can be adjusted by the excess air ratio control in the reformed gas recirculation operation state (for example, reforming When the hydrogen content to the gas is 0% or more and about 8% or less), the hydrogen content to the reformed gas can be controlled by executing the excess air ratio control in the reformed gas recirculation operation state. The deterioration of the catalyst can be suppressed in a form in which the entire amount of the reformed gas is passed through the catalyst bypass passage.
On the other hand, when the target value of the hydrogen content ratio as the highly ignitable gas contained in the reformed gas exceeds the range that can be adjusted by the excess air ratio control in the reformed gas recirculation operation state (for example, with respect to the reformed gas) When the hydrogen content exceeds 8%), the excess air ratio control in the reformed gas recirculation operation state is performed, and the reformed gas is allowed to pass through the catalyst to perform the water gas shift reaction. The content ratio of hydrogen to the quality gas can be adjusted to a value higher than the upper limit value that can be adjusted by controlling the excess air ratio in the reformed gas recirculation operation state.
Thereby, it is possible to further expand the operation range while suppressing deterioration of the catalyst.
エンジンシステムの更なる特徴構成は、
前記改質ガス再循環運転状態は、前記通常気筒へ前記燃焼ガスを再循環しない場合の前記通常気筒での混合気の着火性を基準着火性としたときに、前記基準着火性よりも低い着火性の前記改質ガスを再循環させる準高着火性改質ガス再循環運転状態と、前記基準着火性と同一の着火性の前記改質ガスを再循環させる基準着火性改質ガス再循環運転状態と、前記基準着火性よりも高い着火性の前記改質ガスを再循環させる高着火性改質ガス再循環運転状態と、を含むものであり、
前記シフト反応制御手段は、少なくとも前記準高着火性改質ガス再循環運転状態と前記基準着火性改質ガス再循環運転状態とにあるときに、前記流量比制御弁により前記触媒流路へ通流する前記改質ガスの流量を零とし、前記高着火性改質ガス再循環運転状態にあるときに、前記流量比制御弁により前記触媒流路へ通流する前記改質ガスの流量を零より大きい範囲で制御する形態で、前記水性ガスシフト反応制御を実行する点にある。
Further characteristic configuration of the engine system
The reformed gas recirculation operation state is lower than the reference ignitability when the ignitability of the air-fuel mixture in the normal cylinder when the combustion gas is not recirculated to the normal cylinder is set as the reference ignitability. The semi-highly ignitable reformed gas recirculation operation state for recirculating the reformed gas having the same property and the reference ignitable reformed gas recirculation operation for recirculating the reformed gas having the same ignitability as the reference ignitability And a high ignitability reformed gas recirculation operation state in which the reformed gas having an ignitability higher than the reference ignitability is recirculated,
When the shift reaction control means is at least in the semi-highly ignited reformed gas recirculation operation state and the reference ignitable reformed gas recirculation operation state, the shift ratio control valve passes the shift reaction control means to the catalyst flow path. The flow rate of the reformed gas flowing is zero, and when the highly ignitable reformed gas recirculation operation is in progress, the flow rate of the reformed gas flowing through the catalyst flow path by the flow rate control valve is zero. The water gas shift reaction control is performed in such a manner that it is controlled in a larger range.
上記特徴構成によれば、例えば、改質ガスに含まれる高着火性ガスとしての水素の濃度をそれほど高くする必要がないときには、改質ガス再循環運転状態として準高着火性改質ガス再循環運転状態及び基準着火性改質ガス再循環運転状態として、改質ガスに含まれる高着火性ガスとしての水素の濃度を所望の値に制御しながらも、触媒に通流する改質ガスの流量を零とすることで、触媒の劣化を防ぐことができる。
更に、例えば、改質ガスに含まれる高着火性ガスとしての水素の濃度を改質ガス再循環運転状態で生成可能な水素の濃度よりも高くする必要があるときには、触媒を通流する改質ガスの流量を零より大きい範囲で制御することで、改質ガスに含まれる高着火性ガスとしての水素の濃度を十分に高くすることができる。
尚、触媒への改質ガスの通流は、高着火性改質ガス再循環運転状態において、設定される空気過剰率が再循環気筒で失火が起きない範囲で最小の空気過剰率であるときに、行うことが好ましい。
また、排ガス再循環運転状態にない場合(再循環気筒の空気過剰率が1以上に設定される場合)には、触媒保護の観点から、触媒を通流する改質ガスの流量を零に維持することが好ましい。
According to the above characteristic configuration, for example, when it is not necessary to increase the concentration of hydrogen as the highly ignitable gas contained in the reformed gas, the quasi-highly ignitable reformed gas recirculation is performed as the reformed gas recirculation operation state. In the operating state and the reference ignitable reformed gas recirculation operation state, the flow rate of the reformed gas flowing through the catalyst while controlling the hydrogen concentration as the highly ignitable gas contained in the reformed gas to a desired value By setting the value to zero, deterioration of the catalyst can be prevented.
Further, for example, when it is necessary to make the concentration of hydrogen as a highly ignitable gas contained in the reformed gas higher than the concentration of hydrogen that can be generated in the reformed gas recirculation operation state, the reforming through the catalyst is performed. By controlling the gas flow rate in a range larger than zero, the concentration of hydrogen as a highly ignitable gas contained in the reformed gas can be made sufficiently high.
The flow of the reformed gas to the catalyst is a minimum excess air ratio within a range in which misfire does not occur in the recirculation cylinder in the highly ignitable reformed gas recirculation operation state. Furthermore, it is preferable to carry out.
When the exhaust gas recirculation operation state is not set (when the excess air ratio of the recirculation cylinder is set to 1 or more), the flow rate of the reformed gas flowing through the catalyst is maintained at zero from the viewpoint of catalyst protection. It is preferable to do.
エンジンシステムの更なる特徴構成は、
前記再循環気筒から前記通常気筒へ導かれる前記燃焼ガスを通流すると共に前記触媒が設けられる触媒流路を備え、
前記着火性制御手段は、前記改質ガス再循環運転状態にて設定される前記再循環気筒での空気過剰率に関わらず、前記燃焼ガスの全量を前記触媒へ通流する点にある。
Further characteristic configuration of the engine system
A catalyst flow path for passing the combustion gas guided from the recirculation cylinder to the normal cylinder and provided with the catalyst;
The ignitability control means is such that the entire amount of the combustion gas flows to the catalyst regardless of the excess air ratio in the recirculation cylinder set in the reformed gas recirculation operation state.
上記構成を採用することで、例えば、触媒をバイパスするバイパス路や触媒を通流する改質ガスの流量を制御する制御弁を備えない簡易な構成を採用しながらも、改質ガスに含まれる高着火性ガスとしての水素の濃度を、零から十分に高い値(例えば、12.4%程度)の広い範囲で、好適に設定することができる。 By adopting the above configuration, for example, a simple configuration that does not include a bypass passage that bypasses the catalyst and a control valve that controls the flow rate of the reformed gas that flows through the catalyst is included in the reformed gas. The concentration of hydrogen as a highly ignitable gas can be suitably set within a wide range from zero to a sufficiently high value (for example, about 12.4%).
〔第1実施形態〕
第1実施形態に係るエンジンシステム100、及びその制御方法は、図1に示すように、燃焼室に給気された燃料ガスF(例えば、都市ガス13A)と燃焼用空気Aとの混合気Mを圧縮着火させ燃焼させる予混合圧縮着火エンジン本体40に、混合気Mを燃焼する通常気筒40a、40b、40cと、混合気Mを含む混合気を点火プラグ(図示せず)により火花点火して燃焼すると共に燃焼後の燃焼ガス(後述する改質ガスK、燃焼排ガスEを含む概念)を通常気筒40a、40b、40cへ再循環可能な再循環気筒40dとを備えたエンジンにおいて、比較的簡易な構成を維持しながらも、着火性の制御を良好に行うことができると共に、その運転可能範囲を拡大できるエンジンシステム、及びその制御方法に関するものである。
[First Embodiment]
As shown in FIG. 1, the
〔第1実施形態〕
以下、図1〜10に基づいて、第1実施形態に係るエンジンシステム100について説明する。
当該第1実施形態に係るエンジンシステム100は、ターボ過給式のエンジンとして構成されており、少なくとも1つ以上(当該第1実施形態では3つ)の通常気筒40a、40b、40cと、少なくとも1つ以上(当該第1実施形態では1つ)の再循環気筒40dとを備えている。更には、着火時期や燃焼状態を検出するセンサ等の測定結果が入力され、その入力信号に基づいてターボ過給式エンジンの運転を制御するハードウェア群とソフトウェア群とから構成されているエンジンコントロールユニット(以下、制御装置50と呼ぶ)を備えている。
[First Embodiment]
Hereinafter, based on FIGS. 1-10, the
The
当該エンジンシステム100は、詳細な図示は省略するが、給気本管20から通常気筒40a、40b、40cの燃焼室(図示せず)へ給気弁(図示せず)を介して給気した混合気Mを、ピストンの上昇により圧縮して発火点まで昇温させることで、混合気Mを自己着火させて燃焼・膨張させることで、ピストンを押し下げて回転軸(図示せず)から回転動力を出力すると共に、燃焼により発生した燃焼排ガスEは、通常気筒40a、40b、40cの燃焼室から排気弁(図示せず)を介して排気路27に押し出され、外部へ排出される。ちなみに、当該エンジンシステム100は、予混合圧縮着火エンジン本体40の回転軸に発電機(図示せず)を連結して発電する、所謂、コジェネレーションシステムとして構成されている。
当該予混合圧縮着火エンジン本体40は、燃焼室に混合気Mを圧縮して自己着火させる予混合圧縮着火運転を行って混合気Mを燃焼させるため、例えば、圧縮比を21程度と高く設定することができ高効率であり、更に混合気Mの空気過剰率を、例えば、火花伝播下限以下の希薄状態で燃焼させることができるため低NOxを実現できる。
Although not shown in detail in the
The premixed compression
尚、給気本管20から供給される混合気Mは再循環気筒40dにも供給され、当該再循環気筒40dは、詳細については後述するが、混合気Mを点火プラグにより火花点火して燃焼・膨張させ、ピストンを押し下げて回転軸から回転動力を出力する。そして、当該再循環気筒40dにて燃焼ガスとして生成される改質ガスK又は燃焼排ガスEは、その全量が通常気筒40a、40b、40cへ導かれることとなる。
Note that the air-fuel mixture M supplied from the air supply
給気本管20には、燃焼用空気Aを浄化するエアクリーナ21、燃焼用空気Aに燃料ガスFを適切な比率(空燃比)で混合するベンチュリー式のミキサ14、及びミキサ14にて混合された混合気Mを圧縮する過給機30としてのコンプレッサ31、当該コンプレッサ31の昇圧により昇温した混合気Mを冷却するインタークーラ22、開度調整により通常気筒40a、40b、40c及び再循環気筒40dへの混合気Mの給気量を調整可能なスロットル弁23が、その上流側から記載の順に設けられている。
即ち、給気本管20において、ミキサ14で都市ガス等の燃料ガスFと燃焼用空気Aとを混合して生成された混合気Mは、過給機30としてのコンプレッサ31にて圧縮された後に、インタークーラ22にて冷却され、スロットル弁23を介して所定の流量に調整されて、通常気筒40a、40b、40c、及び再循環気筒40dの燃焼室へ導入される。
The supply
That is, in the supply
ミキサ14に燃料ガスFを導く第1燃料ガス供給路11には、ミキサ14の上流側の給気本管20における燃焼用空気Aの圧力と第1燃料ガス供給路11における燃料ガスFの圧力差を一定に保つ差圧レギュレータ12、ミキサ14を介して通常気筒40a、40b、40c及び再循環気筒40dの燃焼室へ供給される燃料ガスFの供給量を調整する第1燃料流量制御弁13が設けられている。即ち、第1燃料ガス供給路11、差圧レギュレータ12、ミキサ14、及び第1燃料流量制御弁13が、少なくとも通常気筒40a、40b、40cへ燃料ガスを供給する第1燃料ガス供給部として機能する。
In the first fuel
過給機30は、通常気筒40a、40b、40cに接続される排気路27に設けられる排気タービン32に、通常気筒40a、40b、40cから排出される燃焼排ガスEを供給し、排気タービン32に連結される状態で給気本管20に設けられるコンプレッサ31により、通常気筒40a、40b、40c及び再循環気筒40dの燃焼室に給気される混合気Mを圧縮するターボ式の過給機30として構成されている。即ち、当該過給機30は、排気路27を通流する燃焼排ガスEの運動エネルギにより排気タービン32を回転させ、当該排気タービン32の回転力により給気本管20を通流する新気としての混合気Mを圧縮して、通常気筒40a、40b、40c及び再循環気筒40dの燃焼室へ供給する、所謂、過給を行う。
The
予混合圧縮着火エンジン本体40の回転軸(図示せず)には、当該回転軸(図示せず)の回転数を計測する回転数センサ(図示せず)が設けられており、制御装置50は、当該回転数センサにて計測されるエンジン回転数を目標回転数に維持するべく、当該回転数センサの計測結果に基づいてスロットル弁23の開度を制御する。
更に、予混合圧縮着火エンジン本体40の回転軸(図示せず)には、当該回転軸のトルクを計測するトルク計測センサ(図示せず)が設けられており、制御装置50は、例えば、回転数センサにて計測されるエンジン回転数と、トルク計測センサにて計測されるトルクに基づいて計算されるエンジン出力が目標出力となるように、第1燃料流量制御弁13やスロットル弁23の開度を制御する。
更に、予混合圧縮着火エンジン本体40には、燃焼室での燃焼状態を検出する燃焼状態検出手段として、例えば5kHzから25kHzまでの特定周波数帯域の振動の強度をノッキング関連値として検出可能なノックセンサ(図示せず)が設けられており、制御装置50は、ノックセンサが検出する振動の強度がノッキング判定閾値(例えば、100kPa)以上である場合に、ノッキングが発生していると判定する。
また、予混合圧縮着火エンジン本体40には、燃焼室内の圧力を測定する筒内圧力センサ41(着火時期検出手段の一例)を備え、着火時期判定部52としての制御装置50は、当該筒内圧力センサ41にて測定される圧力が着火判定圧力を超えた時を着火時期として判定する。
The rotation shaft (not shown) of the premixed compression
Further, a torque measuring sensor (not shown) for measuring the torque of the rotating shaft (not shown) is provided on the rotating shaft (not shown) of the premixed compression ignition engine
Further, the premixed compression ignition engine
The premixed compression
また、予混合圧縮着火エンジン本体40の排気路27には、排気路27で排気タービン32の上流側を通流する燃焼排ガスEの温度を検出する温度センサS2が設けられており、制御装置50は、当該温度センサS2にて検出される燃焼排ガス温度が失火判定閾値以下となる場合に、失火が発生していると判定する。
尚、失火とは、着火していてもトルクの変動が大きい状態(燃焼変動が大きい状態)も含むものとする。
In addition, the
In addition, misfire includes a state in which torque variation is large even when ignition is performed (a state in which combustion variation is large).
給気本管20は、スロットル弁23の下流側において、通常気筒40a、40b、40cへ混合気Mを導く第1給気支管20xと、再循環気筒40dへ混合気Mを導く第2給気支管20dとに分岐されている。更に、第1給気支管20xは、通常気筒40a、40b、40cの夫々へ混合気Mを導く複数の通常気筒用給気支管20a、20b、20cに接続されている。
The supply
再循環気筒40dへ新気を供給する第2給気支管20dには、ベンチュリー式のミキサ16を介する形態で燃料ガスFを供給する第2燃料ガス供給路29が接続されており、当該第2燃料ガス供給路29には、都市ガス13A等の燃料ガスFの流量を制御する第2燃料流量制御弁15が設けられている。第2燃料ガス供給路29の第2燃料流量制御弁15の上流側には、燃料ガスFの供給圧を給気本管20のコンプレッサ31出口の過給圧まで昇圧するべく、圧縮機(図示せず)等が設けられている。
尚、詳細については後述するが、当該第1実施形態にあっては、再循環気筒40dでの燃焼用空気Aに含まれる酸素に対する燃料ガスFの供給比率を制御する形態の一例として、制御装置50が、第2燃料流量制御弁15の開度を制御する形態で、再循環気筒40dへ供給される混合気Mの空気過剰率を調整可能に構成されている。つまり、第2燃料ガス供給路29、ミキサ16、及び第2燃料流量制御弁15が、第2燃料ガス供給部として機能する。これにより、再循環気筒40dからは、再循環気筒40dでの混合気Mの空気過剰率を1より小さくするときには、再循環気筒40dにて混合気Mの少なくとも一部が燃焼して部分酸化反応して、水素、一酸化炭素及びアセチレン等を含み、燃料ガスFよりも着火性の高い高着火性ガスが含まれる改質ガスKが生成され、第2燃料流量制御弁15を閉止して燃料ガスFを供給しないときには、改質ガスKがほぼ含まれない燃焼排ガスEが排出されることになる。
A second fuel
Although details will be described later, in the first embodiment, as an example of a mode for controlling the supply ratio of the fuel gas F to the oxygen contained in the combustion air A in the
再循環気筒40dには、再循環気筒40dからの燃焼ガスとしての改質ガスK又は燃焼排ガスEを通流する燃焼ガス通流路28が接続されており、当該燃焼ガス通流路28には、その下流側が第1給気支管20xに接続される流路部位と、その下流側が排気路27に接続される流路部位とが、三方切換弁90を介して設けられている。そして、制御装置50は、当該三方切換弁90の開度状態を切り換える形態で、再循環気筒40dからの燃焼ガスを通常気筒40a、40b、40cへ戻す状態と、再循環気筒40dからの燃焼ガスを排気路27へ戻す状態とを切り換え可能に構成されている。ちなみに、当該第1実施形態にあっては、燃焼ガスは、すべて通常気筒40a、40b、40cへ戻すように、三方切換弁90が切り換え制御される。
尚、燃焼ガス通流路28の第1給気支管20xに接続される流路部位には、燃焼ガスを冷却するためのEGRクーラ91が設けられており、当該EGRクーラ91では、燃焼ガスが第1給気支管20xの新気に混合されたときに結露しない温度まで、燃焼ガスを冷却する。
The
In addition, an
更に、第1給気支管20xで、燃焼ガス通流路28が接続される部位の下流側には、第1給気支管20xを通流する混合気Mの温度を測定する温度センサS1が設けられており、当該温度センサS1により測定される温度は、着火性制御手段51としての制御装置50が、着火時期を制御する際に用いられる。
Further, a temperature sensor S1 for measuring the temperature of the air-fuel mixture M flowing through the first air
燃焼ガス通流路28で下流側が第1給気支管20xに接続される流路部位(触媒流路の一例)で、EGRクーラ91の上流側の流路部位(EGRクーラ91と再循環気筒40dとの間の流路部位:より具体的にはEGRクーラ91と三方切換弁90との間の流路部位)には、改質ガスKの少なくとも一部を以下の〔式1〕に示す水性ガスシフト反応させる触媒92を備えている。当該触媒92としては、酸化鉄、酸化クロム、酸化銅、酸化亜鉛などが例示されるが、水性ガスシフト反応させるものであれば、どのようなものでも適用できる。
The combustion
CO+H2O→CO2+H2・・・〔式1〕 CO + H 2 O → CO 2 + H 2 (Equation 1)
更に、燃焼ガス通流路28で下流側が第1給気支管20xに接続される流路部位(触媒流路)を通流する燃焼ガスに触媒92をバイパスさせる触媒バイパス路94を備えると共に、燃焼ガス通流路28で下流側が第1給気支管20xに接続される流路部位を通流する燃焼ガスと触媒バイパス路94を通流する燃焼ガスとの流量比を制御する流量比制御弁93を備えている。流量比制御弁93は、触媒バイパス路94にてバイパスされる触媒流路の開度を制御して触媒流路を通流する燃焼ガスの流量を制御する流量制御弁として設けられている。より具体的には、燃焼ガス通流路28で下流側が第1給気支管20xに接続される流路部位で、触媒92の上流側の流路部位(触媒92と再循環気筒40dとの間の流路部位:より具体的には触媒92と三方切換弁90との間の流路部位)に設けられており、当該流路部位にて開度を制御する形態で、触媒92を通流する燃焼ガスと触媒バイパス路94を通流する燃焼ガスとの流量比を制御する。
Further, the
尚、各運転状態の詳細は後述するが、図2に、縦軸を筒内ガス温度とし、横軸をクランク角度として、予混合圧縮着火エンジンの通常の予混合圧縮着火運転状態と、改質ガス再循環運転状態(ここでは、通常気筒40a、40b、40cへ燃焼ガスを再循環しない場合の通常気筒40a、40b、40cでの混合気の着火性である基準着火性よりも高い着火性の改質ガスを再循環させる高着火性改質ガス再循環運転状態を意味するものとする:図2で一点鎖線)と、改質ガスよりも着火性の低い燃焼排ガスを再循環させる排ガス再循環運転状態との夫々において、詳細化反応計算により導出した、クランク角度に応じて筒内ガス温度の変化のグラフ図を示す。因みに、図2では、温度変化が変曲する点(図2にプロット)を着火点と定義し、当該着火点での筒内ガス温度を着火温度とする。
さて、本願の発明者らは、鋭意検討した結果、図2の詳細化学反応計算の結果に示すように、圧縮・膨張行程において、通常の予混合圧縮着火エンジンの予混合圧縮着火運転状態における着火温度に対して、排ガス再循環運転状態における着火温度を高く(着火性を低く)できると共に、改質ガス再循環運転状態における着火温度を低く(着火性を高く)できるという新たな知見を得た。因みに、当該詳細化学反応計算は、圧縮比を26、当量比を0.3、改質ガスKに含まれる水素濃度を8%、給気量に対する改質ガスK又は燃焼排ガスEの再循環量の割合を20%とした場合の計算結果である。
Details of each operation state will be described later. In FIG. 2, the normal premixed compression ignition operation state of the premixed compression ignition engine and the reforming are shown in FIG. 2 where the vertical axis represents the in-cylinder gas temperature and the horizontal axis represents the crank angle. Gas recirculation operation state (here, the ignitability higher than the reference ignitability, which is the ignitability of the air-fuel mixture in the
Now, as a result of diligent study, the inventors of the present application, as shown in the result of detailed chemical reaction calculation in FIG. 2, ignite the normal premixed compression ignition engine in the premixed compression ignition operation state in the compression / expansion stroke. Obtained new knowledge that the ignition temperature in the exhaust gas recirculation operation state can be made higher (lower ignitability) than the temperature, and the ignition temperature in the reformed gas recirculation operation state can be made lower (high ignitability). . Incidentally, the detailed chemical reaction calculation shows that the compression ratio is 26, the equivalence ratio is 0.3, the hydrogen concentration contained in the reformed gas K is 8%, and the recirculation amount of the reformed gas K or the combustion exhaust gas E with respect to the supply air amount. This is a calculation result when the ratio is set to 20%.
そこで、当該第1実施形態に係るエンジンシステム100及びその制御方法にあっては、上述の知見に基づき、制御装置50が、再循環気筒40dでの燃焼用空気に含まれる酸素に対する燃料ガスの供給比率を制御する形態で再循環気筒40dでの混合気Mの空気過剰率を1より小さくする制御の一例として、第2燃料ガス供給部としての第2燃料流量制御弁15の開度を特定の開度として再循環気筒40dでの混合気Mの空気過剰率を1より小さくして、混合気Mの少なくとも一部を燃焼させ部分酸化反応させて、水素、一酸化炭素、及びアセチレン等を含み、燃料ガスよりも着火性の高い高着火性ガスが含まれる燃焼ガスとしての改質ガスKを再循環気筒40dにて生成して再循環させる改質ガス再循環運転状態と、再循環気筒40dでの燃焼用空気に含まれる酸素に対する燃料ガスの供給比率を制御する形態で再循環気筒40dでの混合気Mの空気過剰率を1以上として再循環気筒40dから燃焼ガスとして改質ガスKよりも着火性の低い燃焼排ガスEを再循環させる排ガス再循環運転状態とを切り換え制御する。
Therefore, in the
更に、制御装置50は、改質ガス再循環運転状態に切り換えているときに、再循環気筒40dでの燃焼用空気に含まれる酸素に対する燃料ガスの供給比率を制御する形態で再循環気筒40dでの混合気Mの空気過剰率を1より小さい範囲で制御する空気過剰率制御の一例として、第2燃料流量制御弁15の開度を調整して、再循環気筒40dでの混合気Mの空気過剰率を1より小さい範囲で制御する形態で、通常気筒40a、40b、40cでの着火性を制御する着火性制御手段としても機能する。
Further, the
因みに、当該第1実施形態にあっては、着火性制御手段51としての制御装置50は、上述した空気過剰率制御に加え、改質ガス再循環運転状態において改質ガスKの少なくとも一部を触媒92へ通流させる水性ガスシフト反応制御を実行するシフト反応制御手段として働くように構成されている。ただし、当該第1実施形態にあっては、改質ガス再循環運転状態において設定される空気過剰率が再循環気筒40dで失火が起きない範囲で最小の空気過剰率である下限空気過剰率(当該第1実施形態では、図9において一点鎖線で示すように、当量比が1.5のとき)であるときに、触媒92に改質ガスKを通流させるように制御される。
そこで、以下の説明においては、再循環気筒40dでの混合気の空気過剰率が下限空気過剰率よりも大きい場合で、触媒92に改質ガスKを通流させない場合の制御について、まず説明する。
Incidentally, in the first embodiment, the
Therefore, in the following description, control in the case where the excess air ratio of the air-fuel mixture in the
制御装置50は、再循環状態を、着火性が高い改質ガス再循環運転状態と、着火性が低い排ガス再循環運転状態とで切り換えると共に、改質ガス再循環運転状態に切り換えているときに、第2燃料流量制御弁15の開度を調整して、再循環気筒40dでの混合気Mの空気過剰率を1より小さい範囲で制御することで、エンジンシステム100の着火性を良好に制御する。
The
ちなみに、図8に、排ガス再循環運転状態(図8で、通常EGR)と、改質ガス再循環運転状態(図8で、改質EGR)との双方において、燃焼ガス(改質ガスK及び燃焼排ガスEを含む)に含まれる水素、一酸化炭素、及び炭化水素(アセチレン含む)の混合割合を示す。ちなみに、当該データは、トルクが最大となる点火時期で、1.36kJ/cycleで運転したときに、再循環気筒のみから排出される燃焼ガスの実測データである。
図8に示すように、排ガス再循環運転状態(図8で、通常EGR)では、水素等の高着火性ガスの燃焼ガスに対する割合は、ほぼ零であるが、改質ガス再循環運転状態(図8で、改質EGR)で、当量比を1から増加(空気過剰率を1から減少)させるに従って、水素等の高着火性ガスの燃焼ガスに対する割合は、徐々に増加していることがわかる。因みに、当量比が1.5を超える場合には、再循環気筒で失火が発生するようになる。エンジンの運転状態や給気温度等の外部環境にもよるが、本発明のエンジンシステム100における改質ガス再循環運転状態における再循環気筒での当量比は、1より大きく1.5以下(空気過剰率は、0.67以上で1未満)であると言える。
尚、図8のグラフ図にあっては、排ガス再循環運転状態(図8で、通常EGR)は、当量比が1.0の場合を指しているが、本発明にあっては、当量比が1.0未満(空気過剰率が1より大きい)のものも含むものとする。
Incidentally, FIG. 8 shows combustion gases (reformed gas K and reformed gas K and both in the exhaust gas recirculation operation state (normal EGR in FIG. 8) and the reformed gas recirculation operation state (reformed EGR in FIG. 8). The mixing ratio of hydrogen, carbon monoxide, and hydrocarbon (including acetylene) contained in (including combustion exhaust gas E) is shown. Incidentally, the data is measured data of combustion gas discharged only from the recirculation cylinder when operating at 1.36 kJ / cycle at the ignition timing at which the torque becomes maximum.
As shown in FIG. 8, in the exhaust gas recirculation operation state (usually EGR in FIG. 8), the ratio of highly ignitable gas such as hydrogen to the combustion gas is almost zero, but the reformed gas recirculation operation state ( In FIG. 8, the ratio of the highly ignitable gas such as hydrogen to the combustion gas gradually increases as the equivalence ratio is increased from 1 (the excess air ratio is decreased from 1) in reformed EGR). Recognize. Incidentally, when the equivalence ratio exceeds 1.5, misfire occurs in the recirculation cylinder. The equivalence ratio in the recirculation cylinder in the reformed gas recirculation operation state in the
In the graph of FIG. 8, the exhaust gas recirculation operation state (usually EGR in FIG. 8) indicates the case where the equivalence ratio is 1.0, but in the present invention, the equivalence ratio is Of less than 1.0 (excess air ratio is greater than 1).
更に、当該第1実施形態にあっては、制御装置50は、第2燃料流量制御弁15の開度を調整して、再循環気筒40dでの燃焼用空気Aに含まれる酸素に対する燃料ガスFの供給比率を制御する形態で再循環気筒40dでの混合気Mの空気過剰率を1より小さい範囲で制御することで、通常気筒40a、40b、40cへ燃焼ガスを再循環しない場合(上述した三方切換弁90にて燃焼ガスを排気路27の側へ導く制御を実行する場合)の通常気筒40a、40b、40cでの混合気Mの着火性を基準着火性としたときに、基準着火性よりも高い着火性の改質ガスKを再循環させる高着火性改質ガス再循環運転状態と、基準着火性と同一の着火性の改質ガスKを再循環させる基準着火性改質ガス再循環運転状態とを、改質ガス再循環運転状態として実行可能に構成されている。
即ち、制御装置50(再循環状態切換手段の一例)は、第2燃料流量制御弁15の開度を連続的に調整する制御のみにより、再循環気筒40dでの燃焼用空気に含まれる酸素に対する燃料ガスの供給比率を制御する形態で、再循環気筒40dでの混合気Mの空気過剰率を1より小さい範囲で制御することで、高着火性改質ガス再循環運転状態と、基準着火性改質ガス再循環運転状態と、排ガス再循環運転状態とを切り換え制御するように構成されている。
因みに、制御装置50は、基準着火性改質ガス再循環運転状態では、改質ガスKにおいて、高着火性ガスによる着火性を向上させる効果と、比較的比熱の高い二酸化炭素や水蒸気等による着火性を低減させる効果とがバランスする程度に、改質ガスKに含まれる高着火性ガスの割合を制御するように、第2燃料流量制御弁15の開度を調整する。
Further, in the first embodiment, the
In other words, the control device 50 (an example of the recirculation state switching means) controls the oxygen contained in the combustion air in the
Incidentally, in the reference ignitable reformed gas recirculation operation state, the
説明を追加すると、制御装置50は、着火性を向上させる場合、高着火性改質ガス再循環運転状態と基準着火性改質ガス再循環運転状態と排ガス再循環運転状態とを、着火性の低い燃焼ガスを再循環する運転状態から着火性の高い燃焼ガスを再循環する運転状態へ切り換え制御する。尚、制御装置50は、切り換え時点での運転状態が、再循環する燃焼ガスの着火性が最も高い高着火性改質ガス再循環運転状態である場合、切り換え制御を行わない。
When the explanation is added, the
一方で、制御装置50は、着火性を低下させる場合、高着火性改質ガス再循環運転状態と基準着火性改質ガス再循環運転状態と排ガス再循環運転状態とを、着火性の高い燃焼ガスを再循環する運転状態から着火性の低い燃焼ガスを再循環する運転状態へ切り換え制御する。尚、制御装置50は、切り換え時点での運転状態が、再循環する燃焼ガスの着火性が最も低い排ガス再循環運転状態である場合、切り換え制御を行わない。
On the other hand, when reducing the ignitability, the
次に、当該第1実施形態に係るエンジンシステム100、及び制御方法により、得られる運転可能範囲についての実験に関し、図3〜7に基づいて説明する。
当該実験は、これまで説明してきたエンジンシステム100において、高着火性改質ガス再循環運転状態と基準着火性改質ガス再循環運転状態と排ガス再循環運転状態とを切り換えたときの運転可能範囲を確認するものであり、ボア×ストロークが104mm×108mm、排気量が1002cm3、圧縮比が24、燃焼室形状がドッグディッシュタイプ、回転数が1200min-1のエンジンを、以下の〔表2〕に示す条件で運転するものである。
ちなみに、当該エンジンにあっては、通常気筒の数を5とし、再循環気筒の数を1とし、改質ガス再循環運転状態及び排ガス再循環運転状態において、再循環気筒からの燃焼ガスは、すべて、通常気筒へ再循環する条件とした。
Next, an experiment on the operable range obtained by the
In the
By the way, in the engine, the number of normal cylinders is 5, the number of recirculation cylinders is 1, and in the reformed gas recirculation operation state and the exhaust gas recirculation operation state, the combustion gas from the recirculation cylinder is All conditions were set to recirculate to the normal cylinder.
図3〜5には、以上の条件において、縦軸を給気温度とし、横軸を図示平均有効圧(以下、IMEPと略称する場合がある)とした場合において、左側限界(低負荷側の限界:鎖線で図示)を図示平均有効圧の変動係数が5%となるときとし、右側限界(高負荷側の限界:二点鎖線で図示)をノッキング強度(以下、KIと略称する場合がある)が100kPaとなるときとしたときの運転可能範囲を、図示している。ここで、図3〜5の等高線の数値は、図示熱効率を示すものであり、一点鎖線は、NOx濃度が50ppmとなるときを示している。
更に、図3は、通常の予混合圧縮着火運転状態のときの運転可能範囲(基準着火性改質ガス再循環運転状態のときの運転可能範囲に対応)であり、図4は、排ガス再循環運転状態のときの運転可能範囲であり、図5は、高着火性改質ガス再循環運転状態のときの運転可能範囲である。
因みに、図6は、高着火性改質ガス再循環運転状態と通常の予混合圧縮着火運転状態(基準着火性改質ガス再循環運転状態に対応)と排ガス再循環運転状態の夫々の運転可能範囲を重ね合わせて表示したものであり、実線で囲まれている領域が通常の予混合圧縮着火運転状態(基準着火性改質ガス再循環運転状態に対応)の運転可能範囲であり、一点鎖線で囲まれている領域が排ガス再循環運転状態の運転可能範囲であり、二点鎖線で囲まれている領域が高着火性改質ガス再循環運転状態の運転可能範囲である。
3 to 5, the left side limit (on the low load side) when the vertical axis is the supply air temperature and the horizontal axis is the indicated mean effective pressure (hereinafter sometimes abbreviated as IMEP) under the above conditions. The limit: indicated by a chain line) when the variation coefficient of the indicated mean effective pressure is 5%, and the right limit (high load side limit: indicated by a two-dot chain line) is sometimes referred to as knocking strength (hereinafter abbreviated as KI). ) Shows the operable range when 100 kPa is reached. Here, the numerical values of the contour lines in FIGS. 3 to 5 indicate the illustrated thermal efficiency, and the alternate long and short dash line indicates when the NOx concentration is 50 ppm.
Further, FIG. 3 shows the operable range in the normal premixed compression ignition operation state (corresponding to the operable range in the standard ignitable reformed gas recirculation operation state), and FIG. 4 shows the exhaust gas recirculation. FIG. 5 shows the operable range in the high ignitable reformed gas recirculation operation state.
Incidentally, FIG. 6 shows that the high ignitable reformed gas recirculation operation state, the normal premixed compression ignition operation state (corresponding to the reference ignited reformed gas recirculation operation state), and the exhaust gas recirculation operation state are possible. The range is displayed in an overlapping manner, and the area surrounded by the solid line is the operable range in the normal premixed compression ignition operation state (corresponding to the standard ignitable reformed gas recirculation operation state). The region surrounded by is the operable range in the exhaust gas recirculation operation state, and the region surrounded by the two-dot chain line is the operable range in the highly ignited reformed gas recirculation operation state.
図3〜5に示されるように、図4に示す排ガス再循環運転状態における運転可能範囲は、図3に示される通常の予混合圧縮着火運転状態(基準着火性改質ガス再循環運転状態に対応)における運転可能範囲に対し、高負荷側(グラフ図で右側)にシフトしており、着火性を低減していることがわかる。一方、図5に示す高着火性改質ガス再循環運転状態における運転可能範囲は、図3に示される通常の予混合圧縮着火運転状態(基準着火性改質ガス再循環運転状態に対応)における運転可能範囲に対し、低負荷側(グラフ図で左側)にシフトしており、着火性を向上していることがわかる。
従って、図6に示すように、基準着火性改質ガス再循環運転状態と排ガス再循環運転状態と高着火性改質ガス再循環運転状態とを切り換え可能とした場合の運転可能範囲は、図3に示す通常の予混合圧縮着火運転状態の運転可能範囲に比べて、2倍程度に拡大できていることがわかる。
As shown in FIGS. 3 to 5, the operable range in the exhaust gas recirculation operation state shown in FIG. 4 is the normal premixed compression ignition operation state (reference ignitable reformed gas recirculation operation state shown in FIG. It can be seen that the ignitability is reduced because the shift to the high load side (right side in the graph) is performed with respect to the operable range. On the other hand, the operable range in the highly ignitable reformed gas recirculation operation state shown in FIG. 5 is the normal premixed compression ignition operation state (corresponding to the reference ignitable reformed gas recirculation operation state) shown in FIG. It has been shifted to the low load side (left side in the graph) with respect to the operable range, and it can be seen that the ignitability is improved.
Therefore, as shown in FIG. 6, the operable range when the reference ignitable reformed gas recirculation operation state, the exhaust gas recirculation operation state, and the highly ignitable reformed gas recirculation operation state can be switched is shown in FIG. Compared to the operable range in the normal premixed compression ignition operation state shown in FIG.
因みに、図7は、縦軸を給気温度とし、横軸をIMEPとした場合において、左側限界(低負荷側の限界:2点鎖線のうち最も左側の線で図示)を図示熱効率が40%となるときとし、右側限界(高負荷側の限界:一点鎖線のうち最も左側の線で図示)をNOx濃度が50ppmとなるときとしたときの高着火性改質ガス再循環運転状態と通常の予混合圧縮着火運転状態(基準着火性改質ガス再循環運転状態に対応)と排ガス再循環運転状態の夫々の運転可能範囲を重ね合わせたものを図示している。
このような定義における運転可能範囲であっても、高着火性改質ガス再循環運転状態と通常の予混合圧縮着火運転状態(基準着火性改質ガス再循環運転状態に対応)と排ガス再循環運転状態の夫々の運転可能範囲を重ね合わせた運転可能範囲は、通常の予混合圧縮着火運転状態における運転可能範囲に比べ、拡大していることがわかる。
7 shows the left limit (low load side limit: indicated by the leftmost line of the two-dot chain line) when the vertical axis is the supply air temperature and the horizontal axis is IMEP. The thermal efficiency is 40%. When the right limit (high load side limit: the leftmost line of the alternate long and short dash line) is when the NOx concentration is 50 ppm, the high ignitable reformed gas recirculation operation state and the normal FIG. 2 illustrates a superposition of respective operable ranges of a premixed compression ignition operation state (corresponding to a reference ignitable reformed gas recirculation operation state) and an exhaust gas recirculation operation state.
Even in the operable range in such a definition, the high ignitable reformed gas recirculation operation state, the normal premixed compression ignition operation state (corresponding to the reference ignitable reformed gas recirculation operation state), and the exhaust gas recirculation It can be seen that the operable range obtained by superimposing the respective operable ranges of the operating state is larger than the operable range in the normal premixed compression ignition operating state.
以上の実験結果が示すように、当該第1実施形態に係るエンジンシステム100、及びその制御方法にあっては、高着火性改質ガス再循環運転状態と基準着火性改質ガス再循環運転状態とを含む改質ガス再循環運転状態と排ガス再循環運転状態との切り換え制御により、運転可能範囲を大幅に拡大できる。
運転可能範囲を適切に拡大する観点から、制御装置50が、ノックセンサ(図示せず)にて検出される振動の強度がノッキング判定閾値以上となる毎に、着火性を低減する必要があると判断し、制御装置50が、高着火性改質ガス再循環運転状態と基準着火性改質ガス再循環運転状態と排ガス再循環運転状態とを、着火性の高い燃焼ガスを再循環する運転状態から着火性の低い燃焼ガスを再循環する運転状態へ切り換え制御する。
As the above experimental results show, in the
From the viewpoint of appropriately expanding the operable range, the
更には、制御装置50は、燃焼排ガスEの温度を検出する温度センサS2の温度に基づいて失火が発生していると判定する毎に、着火性を向上する必要があると判断し、高着火性改質ガス再循環運転状態と基準着火性改質ガス再循環運転状態と排ガス再循環運転状態とを、着火性の低い燃焼ガスを再循環する運転状態から着火性の高い燃焼ガスを再循環する運転状態へ切り換え制御する。
Further, every time it is determined that misfire has occurred based on the temperature of the temperature sensor S2 that detects the temperature of the combustion exhaust gas E, the
以上の如く、着火性制御手段51としての制御装置50は、改質ガス再循環状態と排ガス再循環運転状態との切り換え、特に、改質ガス再循環運転状態において再循環気筒40dでの混合気Mの空気過剰率を1より小さい範囲で制御する空気過剰率制御を実行することで、図9に示すように、改質ガスKに含まれる高着火性ガスとしての水素の濃度を制御する形態で、通常気筒40a、40b、40cでの着火性を制御している。
更に、当該第1実施形態にあっては、着火性制御手段51としての制御装置50は、改質ガス再循環運転状態にあるときで、再循環気筒40dの空気過剰率が下限空気過剰率(図9で、当量比1.5)に設定されているときに、触媒92へ改質ガスKの少なくとも一部を通流させる水性ガスシフト反応制御を実行するシフト反応制御手段として働く。
説明を追加すると、図9に一点鎖線で示すように、当該シフト反応制御手段としての制御装置50は、流量比制御弁93の開度を制御し、触媒92を通過する改質ガスKの流量を増加する形態で、改質ガスKに含まれる高着火性ガスとしての水素の濃度を増加させ、触媒92を通過する改質ガスKの流量を低減する形態で、改質ガスKに含まれる高着火性ガスとしての水素の濃度を低減させる。
As described above, the
Further, in the first embodiment, the
When the explanation is added, as indicated by a one-dot chain line in FIG. 9, the
当該構成を採用することにより、流量比制御弁93の開度を制御して触媒92を通流する改質ガスKの流量と触媒バイパス路94を通流する改質ガスKの流量との比を制御する形態で、改質ガスKに含まれる高着火性ガスとしての水素の濃度を制御することができる。
図9に一点鎖線で示すように、再循環気筒40dの空気過剰率を下限空気過剰率に設定している状態で、上述の水性ガスシフト反応制御を実行することにより、通常気筒40a、40b、40cに導かれる改質ガスKに含まれる高着火性ガスとしての水素の濃度は、8%程度から12%程度の範囲で、制御することができる。上述したように、発明者らは、化学平衡計算により、水性ガスシフト反応により、改質ガスKに含まれる高着火性ガスとしての水素の濃度を、ドライベースで、7.4%から12.4%まで増加させることができることを確認している。このように、水性ガスシフト反応制御をも実行することにより、予混合圧縮着火エンジンの運転範囲の更なる拡大を図ることができる。
By adopting this configuration, the ratio of the flow rate of the reformed gas K flowing through the
As indicated by the alternate long and short dash line in FIG. 9, the above-described water gas shift reaction control is executed in a state where the excess air ratio of the
ここで、着火性制御手段51としての制御装置50は、着火性制御として通常気筒40a、40b、40cの着火時期を目標着火時期(例えば、10°ATDC)となるように制御する。
通常気筒40a、40b、40cの着火時期は、図10に示すように、給気温度、及び通常気筒40a、40b、40cへ導かれる混合気Mの水素濃度に基づいて変化する。具体的には、着火時期は、給気温度の上昇に伴って早くなり、水素濃度の上昇に伴って早くなる傾向にある。そして、着火時期が、進角限界(5°ATDC)よりも早くなるとノッキングが発生し、遅角限界(15°ATDC)よりも遅くなると失火が発生することとなる。
そこで、当該第1実施形態においては、着火時期判定部52が、筒内圧力センサ41にて測定される圧力が着火判定圧力を超えた時(例えば、クランク角度検出手段(図示せず)にて検出されるクランク角度)を着火時期として判定し、着火性制御手段51としての制御装置50は、判定された着火時期が通常着火時期よりも早いときには、上述した空気過剰率制御及び水性ガスシフト反応制御の何れか一方により、改質ガスKに含まれる高着火性ガスとしての水素の濃度を低下させ、判定された着火時期が通常着火時期よりも遅いときには、改質ガスKに含まれる高着火性ガスとしての水素の濃度を上昇させる形態で、着火時期が目標着火時期となるように制御する。
Here, the
As shown in FIG. 10, the ignition timing of the
Therefore, in the first embodiment, the ignition
〔第2実施形態〕
当該第2実施形態に係るエンジンシステム200は、図11に示すように、燃料ガスFと燃焼用空気Aとの混合気Mを圧縮着火させ燃焼させる通常気筒40a、40b、40c、40dを有すると共に、混合気Mを形成する燃料ガスFを供給する第1燃料ガス供給部を有する予混合圧縮着火エンジン200bを備えるのに加えて、燃料ガスFと燃焼用空気Aとを点火プラグ(図示せず)により火花点火して燃焼すると共に燃焼後の燃焼ガスを予混合圧縮着火エンジン200bの通常気筒40a、40b、40c、40dへ再循環可能な再循環気筒80a、80b、80c、80dを有すると共に、再循環気筒80a、80b、80c、80dへ導かれる燃料ガスFを供給する第2燃料ガス供給部を第1燃料ガス供給部とは別に有する補助エンジン200aを備えるものに関する。
[Second Embodiment]
As shown in FIG. 11, the
エンジンシステム200に係る予混合圧縮着火エンジン200bは、再循環気筒、燃焼ガス通流路、及び過給機30を備えていない点以外は、第1実施形態に示した予混合圧縮着火エンジンと変わるところがない。そこで、以下の説明にあっては、上記第1実施形態に係る予混合圧縮着火エンジンと同一の構成及び制御については、説明を割愛する場合がある。
説明を追加すると、エンジンシステム200に係る予混合圧縮着火エンジン200bは給気本管20から通常気筒40a、40b、40c、40dの燃焼室(図示せず)へ給気弁(図示せず)を介して給気した混合気Mを、ピストンの上昇により圧縮して発火点まで昇温させることで、混合気Mを自己着火させて燃焼・膨張させることで、予混合圧縮着火エンジン200bのピストンを押し下げて回転軸(図示せず)から回転動力を出力すると共に、燃焼により発生した燃焼排ガスEは、通常気筒40a、40b、40c、40dの燃焼室から排気弁(図示せず)を介して排気路27に押し出され、外部へ排出される。ちなみに、当該エンジンシステム200において予混合圧縮着火エンジン200bは、回転軸に発電機(図示せず)を連結して発電する、所謂、コジェネレーションシステムとして構成されている。
The premixed
If a description is added, the premixed
給気本管20には、燃焼用空気Aを浄化するエアクリーナ21、燃焼用空気Aに燃料ガスFを適切な比率(空燃比)で混合するベンチュリー式のミキサ14、開度調整により通常気筒40a、40b、40c、40dへの混合気Mの給気量を調整可能なスロットル弁23が、その上流側から記載の順に設けられている。
即ち、給気本管20において、ミキサ14で都市ガス等の燃料ガスFと燃焼用空気Aとを混合して生成された混合気Mは、スロットル弁23を介して所定の流量に調整されて、通常気筒40a、40b、40c、40dの燃焼室へ導入される。
The supply
That is, in the supply
ミキサ14に燃料ガスFを導く第1燃料ガス供給路11には、ミキサ14の上流側の給気本管20における燃焼用空気Aの圧力と第1燃料ガス供給路11における燃料ガスFの圧力差を一定に保つ差圧レギュレータ12、ミキサ14を介して通常気筒40a、40b、40c、40dの燃焼室へ供給される燃料ガスFの供給量を調整する第1燃料流量制御弁13が設けられている。即ち、第1燃料ガス供給路11、差圧レギュレータ12、ミキサ14、及び第1燃料流量制御弁13が、第1燃料ガス供給部として機能する。
制御装置50は、第1燃料流量制御弁13の開度を調整する形態で、混合気Mの空気過剰率を1より大きく設定して、通常気筒40a、40b、40c、40dの各燃焼室にて希薄燃焼するように、燃料ガスの供給量を制御する。
In the first fuel
The
更に、予混合圧縮着火エンジン200bには、ノッキング強度をノッキング関連値として検出するノックセンサ(図示せず)が設けられており、制御装置50が、当該ノックセンサにて検出されるノッキング強度がノッキング判定閾値以上となる場合に、ノッキングが発生していると判定する。
また、予混合圧縮着火エンジン200bには、燃焼室内の圧力を測定する筒内圧力センサ41(着火時期検出手段の一例)を備え、着火時期判定部52としての制御装置50は、当該筒内圧力センサ81にて測定される圧力が着火判定圧力を超えた時を着火時期として判定する。
Furthermore, the premixed
Further, the premixed
また、予混合圧縮着火エンジン200bの排気路27には、燃焼室での燃焼状態を検出する燃焼状態検出手段として、排気路27を通流する燃焼排ガスEの温度を検出する温度センサS2が設けられており、制御装置50は、当該温度センサS2にて検出される燃焼排ガス温度が失火判定閾値以下となる場合に、失火が発生していると判定する。
The
当該第2実施形態に係るエンジンシステム200にあっては、上述した予混合圧縮着火エンジン200bの通常気筒40a、40b、40c、40dの夫々に対し、燃焼ガス(改質ガスK及び燃焼排ガスEを含む)を再循環(供給)する火花点火式の補助エンジン200aを備えている。
当該火花点火式の補助エンジン200aは、給気本管70から再循環気筒80a、80b、80c、80dの燃焼室(図示せず)へ給気弁(図示せず)を介して給気した混合気Mを点火プラグ(図示せず)により火花点火させて燃焼・膨張させることで、火花点火式の補助エンジン本体80のピストンを押し下げて回転軸(図示せず)から回転動力を出力すると共に、燃焼により発生した燃焼ガス(改質ガスK及び燃焼排ガスEを含む)は、再循環気筒80a、80b、80c、80dの燃焼室から排気弁(図示せず)を介して燃焼ガス通流路28に押し出される。
In the
The spark-ignition
燃焼ガス通流路28には、その下流側が予混合圧縮着火エンジン200bの給気本管20に接続される流路部位と、その下流側が予混合圧縮着火エンジン200bの排気路27に接続される流路部位とが、三方切換弁90を介して設けられている。
ちなみに、当該第2実施形態にあっては、燃焼ガスはすべて、燃焼ガス通流路28の予混合圧縮着火エンジン200bの給気本管20に接続される流路部位へ戻すように、三方切換弁90が切り換え制御される。
尚、燃焼ガス通流路28の予混合圧縮着火エンジン200bの給気本管20に接続される流路部位には、燃焼ガスを冷却するためのEGRクーラ91が設けられている。
更に、給気本管20で、燃焼ガス通流路28が接続される部位の下流側には、予混合圧縮着火エンジン200bの給気本管20を通流する混合気Mの温度を測定する温度センサS1が設けられており、当該温度センサS1により測定される温度は、着火性制御手段51としての制御装置50が、着火時期を制御する際に用いられる。
The combustion
Incidentally, in the second embodiment, the three-way switching is performed so that all the combustion gas is returned to the flow path portion connected to the supply
Note that an
Further, the temperature of the air-fuel mixture M flowing through the air supply main 20 of the premixed
燃焼ガス通流路28で下流側が給気本管20に接続される流路部位(触媒流路の一例)で、EGRクーラ91の上流側の流路部位(EGRクーラ91と再循環気筒40a、40b、40c、40dとの間の流路部位:より具体的には三方切換弁90と再循環気筒40a、40b、40c、40dとの間の流路部位)には、改質ガスKの少なくとも一部を水性ガスシフト反応させる触媒92を備えている。
更に、燃焼ガス通流路28で下流側が給気本管20に接続される流路部位(触媒流路)を通流する燃焼ガスに触媒92をバイパスさせる触媒バイパス路94を備えると共に、燃焼ガス通流路28で下流側が給気本管20に接続される流路部位を通流する燃焼ガスと触媒バイパス路94を通流する燃焼ガスとの流量比を制御する流量比制御弁93を備えている。流量比制御弁93は、触媒バイパス路94にてバイパスされる触媒流路の開度を制御して触媒流路を通流する燃焼ガスの流量を制御する流量制御弁として設けられている。より具体的には、燃焼ガス通流路28で下流側が給気本管20に接続される流路部位で、触媒92の上流側の流路部位(触媒92と再循環気筒40a、40b、40c、40dとの間の流路部位)に設けられており、当該流路部位にて開度を制御する形態で、触媒92を通流する燃焼ガスと触媒バイパス路94を通流する燃焼ガスとの流量比を制御する。
The
Further, the
給気本管70には、燃焼用空気Aを浄化するエアクリーナ71、燃焼用空気Aに燃料ガスFを適切な比率(空燃比)で混合するベンチュリー式のミキサ64、開度調整により再循環気筒80a、80b、80c、80dへの混合気Mの給気量を調整可能なスロットル弁73が、その上流側から記載の順に設けられている。
即ち、給気本管70において、ミキサ64で都市ガス等の燃料ガスFと燃焼用空気Aとを混合して生成された混合気Mは、スロットル弁73を介して所定の流量に調整されて、再循環気筒80a、80b、80c、80dの燃焼室へ導入される。
The supply
That is, the air-fuel mixture M generated by mixing the fuel gas F such as city gas and the combustion air A by the mixer 64 in the supply
ミキサ64に燃料ガスFを導く第2燃料ガス供給路61には、ミキサ64の上流側の給気本管70における燃焼用空気Aの圧力と第2燃料ガス供給路61における燃料ガスFの圧力差を一定に保つ差圧レギュレータ62、ミキサ64を介して再循環気筒80a、80b、80c、80dの燃焼室へ供給される燃料ガスFの供給量を調整する第2燃料流量制御弁63が設けられている。即ち、第2燃料ガス供給路61、差圧レギュレータ62、ミキサ64、及び第2燃料流量制御弁63が、第2燃料ガス供給部として機能する。
In the second fuel
制御装置50が、再循環気筒80a、80b、80c、80dでの燃焼用空気に含まれる酸素に対する燃料ガスの供給比率を制御する形態で再循環気筒80a、80b、80c、80dでの混合気Mの空気過剰率を1より小さくする制御の一例として、第2燃料ガス供給部としての第2燃料流量制御弁63の開度を特定の開度として再循環気筒80a、80b、80c、80dでの混合気Mの空気過剰率を1より小さくして、混合気Mの少なくとも一部を燃焼させ部分酸化反応させて、水素、一酸化炭素及びアセチレン等を含み、燃料ガスよりも着火性の高い高着火性ガスが含まれる燃焼ガスとしての改質ガスKを再循環気筒80a、80b、80c、80dにて生成して再循環させる改質ガス再循環運転状態と、再循環気筒80a、80b、80c、80dでの燃焼用空気に含まれる酸素に対する燃料ガスの供給比率を制御する形態で再循環気筒80a、80b、80c、80dでの混合気Mの空気過剰率を1以上として再循環気筒80a、80b、80c、80dから改質ガスKよりも着火性の低い燃焼排ガスEを再循環させる排ガス再循環運転状態とを切り換え制御する。
更に、制御装置50は、第2燃料流量制御弁63の開度を調整して、再循環気筒80a、80b、80c、80dでの燃焼用空気に含まれる酸素に対する燃料ガスの供給比率を制御する形態で再循環気筒80a、80b、80c、80dでの混合気Mの空気過剰率を1より小さい範囲で制御することで、通常気筒40a、40b、40c、40dへ燃焼ガスを再循環しない場合(上述した三方切換弁90にて燃焼ガスを排気路27の側へ導く制御を実行する場合)の通常気筒40a、40b、40c、40dでの混合気Mの着火性を基準着火性としたときに、基準着火性よりも高い着火性の改質ガスKを再循環させる高着火性改質ガス再循環運転状態と、基準着火性と同一の着火性の改質ガスKを再循環させる基準着火性改質ガス再循環運転状態とを、改質ガス再循環運転状態として実行可能に構成されている。
即ち、制御装置50は、第2燃料流量制御弁63の開度を連続的に調整する制御のみにより、再循環気筒80a、80b、80c、80dでの燃焼用空気に含まれる酸素に対する燃料ガスの供給比率を制御する形態で再循環気筒80a、80b、80c、80dでの混合気Mの空気過剰率を1より小さい範囲で制御することで、高着火性改質ガス再循環運転状態と、基準着火性改質ガス再循環運転状態と、排ガス再循環運転状態とを切り換え制御するように構成されている。
The
Further, the
That is, the
また、制御装置50は、着火性制御手段51として、改質ガス再循環状態と排ガス再循環運転状態との切り換え、特に、改質ガス再循環運転状態において再循環気筒80a、80b、80c、80dでの混合気Mの空気過剰率を1より小さい範囲で制御する空気過剰率制御を実行することで、図9に一点鎖線で示すように、改質ガスKに含まれる高着火性ガスとしての水素の濃度を制御する形態で、通常気筒40a、40b、40c、40dでの着火性を制御している。
更に、着火性制御手段51としての制御装置50は、改質ガス再循環運転状態にあるときで、再循環気筒80a、80b、80c、80dの空気過剰率が下限空気過剰率(図9で、当量比1.5)に設定されているときに、触媒92へ改質ガスKの少なくとも一部を通流させる水性ガスシフト反応制御を実行するシフト反応制御手段として働く。
Further, the
Further, the
以上の構成を採用することにより、着火性制御手段51としての制御装置50が、上記第1実施形態と同様の制御を実行することで、エンジンシステム200の運転可能範囲を拡大するように、着火性の制御が適切に実行されることとなる。
By adopting the above configuration, the
〔別実施形態〕
(1)上記第1、2実施形態において、通常気筒の数は、1つ以上であればいくつであっても構わないし、再循環気筒の数も、1つ以上であればいくつであっても、本発明の機能を良好に発揮できる。
[Another embodiment]
(1) In the first and second embodiments, the number of normal cylinders may be any number as long as it is one or more, and the number of recirculation cylinders may be any number as long as it is one or more. The functions of the present invention can be exhibited well.
(2)上記第1実施形態は、再循環気筒40dの排気ポートに接続される燃焼ガス通流路28は、給気本管20に接続される構成を有すると共に、燃焼ガス(改質ガスK及び燃焼排ガスEを含む)を、通常気筒40a、40b、40cのみに導く例を示した。
しかしながら、例えば、燃焼ガス通流路28は、通常気筒40a、40b、40cに加えて、再循環気筒40dにも燃焼ガス(改質ガスK及び燃焼排ガスEを含む)を導く構成を採用しても構わない。
(2) In the first embodiment, the
However, for example, the
(3)上記第1実施形態では、エンジンシステム100が過給機30を備える例を示したが、別に、当該過給機30を備えない構成であっても、本発明の目的は良好に達成される。また、上記第2実施形態では、エンジンシステム200の予混合圧縮着火エンジン200bが、その出力を補うべく、過給機を備える構成を採用しても構わない。
(3) In the first embodiment, the example in which the
(4)上記第2実施形態においては、単一の補助エンジン200aと単一の予混合圧縮着火エンジン200bとを備える構成例を示したが、補助エンジン200aを複数備える構成や、予混合圧縮着火エンジン200bを複数備える構成を採用することもできる。
また、補助エンジン200aは、回転軸に発電機(図示せず)を連結して発電する、所謂、コジェネレーションシステムとして構成しても構わない。
(4) In the second embodiment, a configuration example including a single
The
(5)上記第1実施形態では、過給機30として、ターボ式のものを備える例を示したが、スーパーチャージャ式のものとしても構わない。また、上記第1実施形態では、過給機30として、単一のコンプレッサ31と単一の排気タービン32とを備える、所謂、一段過給の例を示したが、別に、二段以上の多段過給としても構わない。
(5) In the first embodiment, an example in which the
(6)上記第1実施形態において、再循環気筒40dにて生成された燃焼ガスとしての改質ガスK又は燃焼排ガスEを、通常気筒40a、40b、40c及び再循環気筒40dに戻すことなく、排気路27で排気タービン32の上流側へ戻す構成例を示した。しかしながら、別に排気路27で排気タービン32の下流側に戻すように構成しても構わない。
(6) In the first embodiment, the reformed gas K or the combustion exhaust gas E as the combustion gas generated in the
(7)上記第1、2実施形態では、制御装置50は、高着火性改質ガス再循環運転状態と基準着火性改質ガス再循環運転状態と排ガス再循環運転状態とを切り換え制御する例を示した。
しかしながら、制御装置50は、第2燃料流量制御弁の開度を調整して、再循環気筒での燃焼用空気Aに含まれる酸素に対する燃料ガスFの供給比率を制御する形態で再循環気筒での混合気Mの空気過剰率を1より小さい範囲で制御することで、通常気筒へ燃焼ガスを再循環しない場合の通常気筒での混合気Mの着火性を基準着火性としたときに、改質ガス再循環運転状態として、高着火性改質ガス再循環運転状態と基準着火性改質ガス再循環運転状態とに加え、基準着火性よりも低い着火性の改質ガスKを再循環させる準高着火性改質ガス再循環運転状態を、実行可能に構成しても構わない。
即ち、制御装置50は、第2燃料流量制御弁15の開度を連続的に調整する制御のみにより、再循環気筒での燃焼用空気に含まれる酸素に対する燃料ガスの供給比率を制御する形態で再循環気筒での混合気Mの空気過剰率を1より小さい範囲で制御することで、高着火性改質ガス再循環運転状態と、基準着火性改質ガス再循環運転状態と、準高着火性改質ガス再循環運転状態と、排ガス再循環運転状態とを切り換え制御するように構成しても構わない。
(7) In the first and second embodiments, the
However, the
That is, the
(8)上記第1、2実施形態では、燃焼状態を検出する手段として、ノックセンサ、排ガスの温度を検出する温度センサS2を備える例を示した。
他の例では、燃焼排ガスEのNOx濃度を測定するNOxセンサ(図示せず)を備えても構わない。
即ち、通常気筒からの燃焼排ガスEが通過する排気路にNOxセンサを備え、制御装置50が、NOxセンサにて検出されるNOx濃度がNOx判定閾値(例えば、50ppm)以上となる毎に、着火性を低減する必要があると判断し、高着火性改質ガス再循環運転状態と基準着火性改質ガス再循環運転状態と排ガス再循環運転状態とを、着火性の高い燃焼ガスを再循環する運転状態から着火性の低い燃焼ガスを再循環する運転状態へ切り換え制御する。尚、制御装置50は、切り換え時点での運転状態が、再循環する燃焼ガスの着火性が最も低い排ガス再循環運転状態である場合、切り換え制御を行わない。
(8) In the first and second embodiments, the example in which the knock sensor and the temperature sensor S2 for detecting the temperature of the exhaust gas are provided as means for detecting the combustion state has been described.
In another example, a NOx sensor (not shown) that measures the NOx concentration of the combustion exhaust gas E may be provided.
That is, the NOx sensor is provided in the exhaust passage through which the combustion exhaust gas E from the normal cylinder passes, and the
(9)上記第1実施形態において、第1燃料ガス供給部として、図1に示すように、スロットル弁23の上流側の給気本管20に対して燃料ガスFを混合するように、第1燃料ガス供給路11、差圧レギュレータ12、ミキサ14、及び第1燃料流量制御弁13を備える構成例を示した。
しかしながら、図12に示すように、通常気筒40a、40b、40cの夫々に燃焼用空気を導く複数の通常気筒用給気支管20a、20b、20cの夫々に各別に燃料ガスFを供給するように、第1燃料ガス供給部としての第1燃料ガス供給路11、ミキサ14、及び第1燃料流量制御弁13を備えるように構成しても構わない。
(9) In the first embodiment, as shown in FIG. 1, the first fuel gas supply unit is configured to mix the fuel gas F with the supply
However, as shown in FIG. 12, the fuel gas F is supplied to each of the plurality of normal cylinder
(10)再循環気筒での燃焼用空気Aに含まれる酸素に対する燃料ガスFの供給比率を制御する形態の他の構成例につき、第1実施形態及び第2実施形態の変形例を以下に示す。因みに、第1実施形態でも第2実施形態でも実質的な構成及び制御形態は同様であるので、以下では、第1実施形態を例に、説明する。
上記第1実施形態において、再循環気筒40dでの燃焼用空気Aに含まれる酸素に対する燃料ガスFの供給比率を制御する形態で再循環気筒40dでの混合気Mの空気過剰率を1より小さい範囲で制御する一例として、第2燃料ガス供給部としての第2燃料流量制御弁15の開度を特定の一定開度として再循環気筒40dでの混合気Mの空気過剰率を1より小さい範囲で制御する構成例を示した。
再循環気筒40dでの燃焼用空気Aに含まれる酸素に対する燃料ガスの供給比率を制御する形態で再循環気筒40dでの混合気Mの空気過剰率を1より小さい範囲で制御する他の例としては、第2燃料ガス供給部としての第2燃料流量制御弁15の開度を特定の一定開度に維持した状態で、再循環気筒40dへ燃焼用空気Aを導く第2給気支管20dにスロットル弁(図示せず)を設け、当該スロットル弁の開度を制御するように構成しても構わない。
あるいは、再循環気筒40dのEGR率をバルブタイミングの制御や、再循環気筒40dからの燃焼ガスを通流する燃焼ガス通流路28に設けられる排気絞り弁(図示せず)の開度の制御により、再循環気筒40dでの混合気Mの空気過剰率を1より小さい範囲で制御する。
(10) A modification of the first embodiment and the second embodiment will be described below with respect to another configuration example for controlling the supply ratio of the fuel gas F to the oxygen contained in the combustion air A in the recirculation cylinder. . Incidentally, since the substantial configuration and control mode are the same in both the first embodiment and the second embodiment, the first embodiment will be described below as an example.
In the first embodiment, the excess air ratio of the air-fuel mixture M in the
As another example of controlling the excess air ratio of the air-fuel mixture M in the
Alternatively, the EGR rate of the
(11)燃焼状態を検出する手段について、説明を追加する。
上記実施形態において、ノッキング検出手段は、ノッキング強度を検出するノックセンサを備え、当該ノックセンサにて検出されるノッキング強度(振動の強度)に基づいて、着火性を低減するか否かを判定する例を示した。他の構成として、ノッキング頻度を検出する構成を採用し、ノッキング頻度に基づいて、着火性を低減するか否かを判定しても構わない。
また、筒内圧力センサにて筒内圧力を検出し、当該筒内圧力センサにて検出される筒内圧力に基づいて、ノッキングを検出することもできる。即ち、筒内圧力センサにて検出される筒内圧力に基づいて、着火性を低減するか否かを判定するように構成しても構わない。
また、失火を検出する手段の他の例としては、筒内イオン電流センサを備える構成があり、当該筒内イオン電流センサにて検出される筒内の着火炎のイオン電流に基づいて、失火を検出することができる。
また、ノッキングを検出する手段、失火を検出する手段及びNOxセンサは、単体で備える構成を採用しても構わないし、組み合わせて備える構成を採用しても構わない。
(11) A description of the means for detecting the combustion state will be added.
In the above embodiment, the knocking detection means includes a knock sensor that detects the knocking strength, and determines whether to reduce the ignitability based on the knocking strength (vibration strength) detected by the knocking sensor. An example is shown. As another configuration, a configuration for detecting the knocking frequency may be adopted, and it may be determined whether to reduce the ignitability based on the knocking frequency.
Further, the in-cylinder pressure can be detected by the in-cylinder pressure sensor, and knocking can be detected based on the in-cylinder pressure detected by the in-cylinder pressure sensor. That is, it may be configured to determine whether to reduce the ignitability based on the in-cylinder pressure detected by the in-cylinder pressure sensor.
As another example of means for detecting misfire, there is a configuration including an in-cylinder ion current sensor, and misfire is detected based on the ion current of the in-cylinder ignition flame detected by the in-cylinder ion current sensor. Can be detected.
Further, the means for detecting knocking, the means for detecting misfire, and the NOx sensor may adopt a configuration provided alone or a configuration provided in combination.
(12)上記第1実施形態では、触媒バイパス路94及び流量比制御弁93を備える構成例を示したが、図13に示すように、当該触媒バイパス路94及び流量比制御弁93を備えない構成を採用しても構わない。
具体的には、再循環気筒40dから通常気筒40a、40b、40cへ導かれる燃焼ガス(改質ガスK)を通流する燃焼ガス通流路28(触媒流路の一例)に触媒92を備え、着火性制御手段51としての制御装置50は、燃焼ガスの空気過剰率がいずれの値にある場合にも、燃焼ガス(改質ガスK)の全量を触媒92へ導くように構成されている。
当該構成により、通常気筒40a、40b、40cへ再循環される改質ガスKの水素濃度は、図9にて実線で示されるように、再循環気筒40dへ導かれる混合気Mの当量比φ(空気過剰率の逆数)を1から1.5までの間で変化させた時に、当量比φに対して正の相関を有する状態で、零から12%程度まで変化させることができる。
(12) In the first embodiment, the configuration example including the
Specifically, the
With this configuration, the hydrogen concentration of the reformed gas K that is recirculated to the
(13)上記実施形態にあっては、制御装置50は、排ガス再循環状態を実行するように構成している例を示した。しかしながら、本願にあっては、排ガス再循環状態を実行しないものも権利範囲に含むものとする。
(13) In the above embodiment, the
(14)上記第1実施形態にあっては、制御装置50は、改質ガス再循環運転状態において設定される空気過剰率が再循環気筒40dで失火が起きない範囲で最小の空気過剰率である下限空気過剰率(当該第1実施形態では、図9において一点鎖線で示すように、当量比が1.5のとき)であるときに、触媒92に改質ガスKを通流させる形態で、水性ガスシフト反応制御を実行する構成例を示した。
しかしながら、制御装置50は、下限空気過剰率よりも大きい空気過剰率において、水性ガスシフト反応制御を実行しても構わない。
例えば、制御装置50は、準高着火性改質ガス再循環運転状態と基準着火性改質ガス再循環運転状態と排ガス再循環運転状態とにおいて、流量比制御弁93の開度を制御する形態で、触媒92に通流する改質ガスKの流量を零とし、高着火性改質ガス再循環運転状態において、流量比制御弁93の開度を制御する形態で、触媒92に通流する改質ガスKの流量を零より大きい値に制御するように構成しても構わない。
当該制御は、触媒バイパス路94及び流量比制御弁93を備える他の実施形態においても好適に実行できる。
(14) In the first embodiment, the
However, the
For example, the
This control can also be suitably executed in other embodiments including the
(15)上記実施形態にあっては、着火時期検出手段として、筒内圧力センサ41を備える例を示した。
当該着火時期検出手段としては、予混合圧縮着火エンジン本体40の燃焼室内に設けられ、燃焼室内の自着火炎によるイオン電流を検出するイオンプロ―ブ、予混合圧縮着火エンジン本体40に設けられ、エンジン本体の機関振動により着火を検出する加速度計を、好適に採用することができる。
(15) In the above embodiment, an example in which the
The ignition timing detection means is provided in the combustion chamber of the premixed compression ignition engine
(16)上記第1実施形態にあっては、着火時期の制御に関し、着火性制御手段51としての制御装置50による空気過剰率制御及び水性ガスシフト反応制御を実行することにより、着火時期を目標着火時期に制御する構成例を示した。
本願にあっては、上記構成に加えて、制御装置50が、インタークーラ22による給気温度制御により、着火時期を制御する構成をも権利範囲に含むものである。
具体的には、制御装置50は、着火時期判定部52により判定された着火時期が、目標着火時期よりも早いときには、温度センサS1により測定される給気温度に基づいてインタークーラ22による給気の冷却度合を高め、着火時期が目標着火時期よりも遅いときには、温度センサS1により測定される給気温度に基づいてインタークーラ22による給気の冷却度合を低める形態で、着火時期を目標着火時期に制御する構成をも含むものである。
(16) In the first embodiment, regarding the ignition timing control, the ignition timing is set to the target ignition timing by executing the excess air ratio control and the water gas shift reaction control by the
In the present application, in addition to the above-described configuration, the
Specifically, when the ignition timing determined by the ignition
尚、上記実施形態(別実施形態を含む、以下同じ)で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。 The configuration disclosed in the above embodiment (including another embodiment, the same shall apply hereinafter) can be applied in combination with the configuration disclosed in the other embodiment, as long as no contradiction occurs. The embodiment disclosed in this specification is an exemplification, and the embodiment of the present invention is not limited to this. The embodiment can be appropriately modified without departing from the object of the present invention.
本発明のエンジンシステム、及びその制御方法は、比較的簡易な構成を維持しながらも、着火性の制御を良好に行うことができると共に、その運転範囲を大幅に拡大することができるエンジンシステム、及びその制御方法として、有効に利用可能である。 The engine system of the present invention and the control method thereof are capable of well controlling the ignitability while maintaining a relatively simple configuration, and can greatly expand the operating range thereof. And as a control method thereof, it can be effectively used.
11 :第1燃料ガス供給路
13 :第1燃料流量制御弁
15 :第2燃料流量制御弁
28 :燃焼ガス通流路
29 :第2燃料ガス供給路
40 :予混合圧縮着火エンジン本体
40a、40b、40c:通常気筒
40d :再循環気筒
50 :制御装置
51 :着火性制御手段
52 :着火時期判定部
61 :第2燃料ガス供給路
63 :第2燃料流量制御弁
80 :補助エンジン本体
80a、80b、80c、80d:再循環気筒
90 :三方切換弁
92 :触媒
93 :流量比制御弁
94 :触媒バイパス路
91 :EGRクーラ
100 :エンジンシステム
200 :エンジンシステム
200a :補助エンジン
200b :予混合圧縮着火エンジン
A :燃焼用空気
E :燃焼排ガス
F :燃料ガス
K :改質ガス
11: 1st fuel gas supply path 13: 1st fuel flow control valve 15: 2nd fuel flow control valve 28: Combustion gas flow path 29: 2nd fuel gas supply path 40: Premix compression ignition engine
Claims (9)
混合気を燃焼する通常気筒を少なくとも1つ備えると共に、混合気を燃焼すると共に燃焼後の燃焼ガスを少なくとも前記通常気筒へ再循環可能な再循環気筒を備え、
少なくとも前記通常気筒へ燃料ガスを供給する第1燃料ガス供給部と、前記再循環気筒へ燃料ガスを供給する第2燃料ガス供給部とを各別に備え、
前記再循環気筒から前記通常気筒へ導かれる前記燃焼ガスの少なくとも一部を水性ガスシフト反応させる触媒を備え、
前記再循環気筒での燃焼用空気に含まれる酸素に対する燃料ガスの供給比率を制御する形態で前記再循環気筒での混合気の空気過剰率を1より小さくして混合気の少なくとも一部を燃焼させ部分酸化反応させて燃料ガスよりも着火性の高い高着火性ガスが含まれる前記燃焼ガスとしての改質ガスを前記再循環気筒にて生成して再循環させる改質ガス再循環運転状態を実行可能に構成され、
前記改質ガス再循環運転状態にあるときに、前記再循環気筒にて生成される前記改質ガスの少なくとも一部を前記触媒へ通流させる水性ガスシフト反応制御を実行可能に構成されているエンジンシステム。 An engine system that compresses and ignites an air-fuel mixture of fuel gas and combustion air,
Including at least one normal cylinder for combusting the air-fuel mixture, and having a recirculation cylinder for combusting the air-fuel mixture and recirculating the combustion gas after combustion to at least the normal cylinder;
A first fuel gas supply unit for supplying fuel gas to at least the normal cylinder and a second fuel gas supply unit for supplying fuel gas to the recirculation cylinder;
A catalyst for causing a water gas shift reaction of at least a part of the combustion gas guided from the recirculation cylinder to the normal cylinder;
Combusting at least a part of the air-fuel mixture by reducing the excess air ratio of the air-fuel mixture in the recirculation cylinder to less than 1 in the form of controlling the supply ratio of fuel gas to oxygen contained in the combustion air in the recirculation cylinder A reformed gas recirculation operation state in which the reformed gas as the combustion gas containing the highly ignitable gas having higher ignitability than the fuel gas by the partial oxidation reaction is generated and recirculated in the recirculation cylinder. Configured to run,
An engine configured to execute water gas shift reaction control that allows at least part of the reformed gas generated in the recirculation cylinder to flow to the catalyst when in the reformed gas recirculation operation state. system.
混合気を燃焼すると共に燃焼後の燃焼ガスを前記通常気筒へ再循環可能な再循環気筒を有すると共に、前記再循環気筒へ燃料ガスを供給する第2燃料ガス供給部を前記第1燃料ガス供給部とは別に有する補助エンジンを備え、
前記再循環気筒から前記通常気筒へ導かれる前記燃焼ガスの少なくとも一部を水性ガスシフト反応させる触媒を備え、
前記再循環気筒での燃焼用空気に含まれる酸素に対する燃料ガスの供給比率を制御する形態で前記再循環気筒での混合気の空気過剰率を1より小さくして混合気の少なくとも一部を燃焼させ部分酸化反応させて燃料ガスよりも着火性の高い高着火性ガスが含まれる前記燃焼ガスとしての改質ガスを前記再循環気筒にて生成して再循環させる改質ガス再循環運転状態を実行可能に構成され、
前記改質ガス再循環運転状態にあるときに、前記再循環気筒にて生成される前記改質ガスの少なくとも一部を前記触媒へ通流させる水性ガスシフト反応制御を実行可能に構成されているエンジンシステム。 A premixed compression ignition engine having at least one normal cylinder for compressing and igniting and burning an air-fuel mixture of fuel gas and combustion air and having a first fuel gas supply unit for supplying fuel gas forming the air-fuel mixture Engine system,
The first fuel gas supply includes a recirculation cylinder capable of combusting the air-fuel mixture and recirculating the combustion gas after combustion to the normal cylinder, and supplying a fuel gas to the recirculation cylinder. Auxiliary engine that has separate from the part,
A catalyst for causing a water gas shift reaction of at least a part of the combustion gas guided from the recirculation cylinder to the normal cylinder;
Combusting at least a part of the air-fuel mixture by reducing the excess air ratio of the air-fuel mixture in the recirculation cylinder to less than 1 in the form of controlling the supply ratio of fuel gas to oxygen contained in the combustion air in the recirculation cylinder A reformed gas recirculation operation state in which the reformed gas as the combustion gas containing the highly ignitable gas having higher ignitability than the fuel gas by the partial oxidation reaction is generated and recirculated in the recirculation cylinder. Configured to run,
An engine configured to execute water gas shift reaction control that allows at least part of the reformed gas generated in the recirculation cylinder to flow to the catalyst when in the reformed gas recirculation operation state. system.
前記着火性制御手段は、前記着火時期検出手段にて検出される前記着火時期が目標着火時期よりも遅角化している場合に、前記通常気筒での着火性を向上させ、前記着火時期検出手段にて検出される前記着火時期が目標着火時期よりも進角化している場合に、着火性を低減させる請求項3に記載のエンジンシステム。 Ignition timing detecting means for detecting the ignition timing in the normal cylinder,
The ignitability control means improves the ignitability in the normal cylinder when the ignition timing detected by the ignition timing detection means is retarded from a target ignition timing, and the ignition timing detection means The engine system according to claim 3, wherein the ignitability is reduced when the ignition timing detected in step 1 is advanced from a target ignition timing.
前記着火性制御手段は、前記水性ガスシフト反応制御において、前記流量比制御弁の開度を制御する形態で、前記触媒を通流させて前記水性ガスシフト反応させる前記改質ガスの流量を制御するシフト反応制御手段として働く請求項3又は4に記載のエンジンシステム。 A catalyst flow path through which the combustion gas guided from the recirculation cylinder to the normal cylinder flows and the catalyst is provided; a catalyst bypass path for bypassing the catalyst to the combustion gas flowing through the catalyst flow path; A flow ratio control valve for controlling a flow ratio between the flow rate of the combustion gas flowing through the catalyst flow path and the flow rate of the combustion gas flowing through the catalyst bypass path,
In the water gas shift reaction control, the ignitability control means controls the flow rate of the reformed gas that causes the water gas shift reaction to flow through the catalyst in the form of controlling the opening degree of the flow rate control valve. The engine system according to claim 3 or 4, which functions as a reaction control means.
前記シフト反応制御手段は、少なくとも前記準高着火性改質ガス再循環運転状態と前記基準着火性改質ガス再循環運転状態とにあるときに、前記流量比制御弁により前記触媒流路へ通流する前記改質ガスの流量を零とし、前記高着火性改質ガス再循環運転状態にあるときに、前記流量比制御弁により前記触媒流路へ通流する前記改質ガスの流量を零より大きい範囲で制御する形態で、前記水性ガスシフト反応制御を実行する請求項5に記載のエンジンシステム。 The reformed gas recirculation operation state is lower than the reference ignitability when the ignitability of the air-fuel mixture in the normal cylinder when the combustion gas is not recirculated to the normal cylinder is set as the reference ignitability. The semi-highly ignitable reformed gas recirculation operation state for recirculating the reformed gas having the same property and the reference ignitable reformed gas recirculation operation for recirculating the reformed gas having the same ignitability as the reference ignitability And a high ignitability reformed gas recirculation operation state in which the reformed gas having an ignitability higher than the reference ignitability is recirculated,
When the shift reaction control means is at least in the semi-highly ignited reformed gas recirculation operation state and the reference ignitable reformed gas recirculation operation state, the shift ratio control valve passes the shift reaction control means to the catalyst flow path. The flow rate of the reformed gas flowing is zero, and when the highly ignitable reformed gas recirculation operation is in progress, the flow rate of the reformed gas flowing through the catalyst flow path by the flow rate control valve is zero. The engine system according to claim 5, wherein the water gas shift reaction control is executed in a form in which control is performed in a larger range.
前記着火性制御手段は、前記改質ガス再循環運転状態にて設定される前記再循環気筒での空気過剰率に関わらず、前記燃焼ガスの全量を前記触媒へ通流する請求項3又は4に記載のエンジンシステム。 A catalyst flow path for passing the combustion gas guided from the recirculation cylinder to the normal cylinder and provided with the catalyst;
The ignitability control means allows the entire amount of the combustion gas to flow to the catalyst regardless of the excess air ratio in the recirculation cylinder set in the reformed gas recirculation operation state. The engine system described in.
混合気を燃焼する通常気筒を少なくとも1つ備えると共に、混合気を燃焼すると共に燃焼後の燃焼ガスを少なくとも前記通常気筒へ再循環可能な再循環気筒を備え、
少なくとも前記通常気筒へ燃料ガスを供給する第1燃料ガス供給部と、前記再循環気筒へ燃料ガスを供給する第2燃料ガス供給部とを各別に備え、
前記再循環気筒から前記通常気筒へ導かれる前記燃焼ガスの少なくとも一部を水性ガスシフト反応させる触媒を備えた構成において、
前記再循環気筒での燃焼用空気に含まれる酸素に対する燃料ガスの供給比率を制御する形態で前記再循環気筒での混合気の空気過剰率を1より小さくして混合気の少なくとも一部を燃焼させ部分酸化反応させて燃料ガスよりも着火性の高い高着火性ガスが含まれる前記燃焼ガスとしての改質ガスを前記再循環気筒にて生成して再循環させる改質ガス再循環運転状態を実行するように制御され、
前記改質ガス再循環運転状態にあるときに、前記再循環気筒にて生成される前記改質ガスの少なくとも一部を前記触媒へ通流させる水性ガスシフト反応制御を実行するように制御されるエンジンシステムの制御方法。 A control method for an engine system for compressing and igniting a mixture of fuel gas and combustion air for combustion,
Including at least one normal cylinder for combusting the air-fuel mixture, and having a recirculation cylinder for combusting the air-fuel mixture and recirculating the combustion gas after combustion to at least the normal cylinder;
A first fuel gas supply unit for supplying fuel gas to at least the normal cylinder and a second fuel gas supply unit for supplying fuel gas to the recirculation cylinder;
In a configuration including a catalyst that causes a water gas shift reaction of at least a part of the combustion gas guided from the recirculation cylinder to the normal cylinder,
Combusting at least a part of the air-fuel mixture by reducing the excess air ratio of the air-fuel mixture in the recirculation cylinder to less than 1 in the form of controlling the supply ratio of fuel gas to oxygen contained in the combustion air in the recirculation cylinder A reformed gas recirculation operation state in which the reformed gas as the combustion gas containing the highly ignitable gas having higher ignitability than the fuel gas by the partial oxidation reaction is generated and recirculated in the recirculation cylinder. Controlled to run,
An engine that is controlled to execute water gas shift reaction control for allowing at least a part of the reformed gas generated in the recirculation cylinder to flow to the catalyst when in the reformed gas recirculation operation state. How to control the system.
混合気を燃焼すると共に燃焼後の燃焼ガスを前記通常気筒へ再循環可能な再循環気筒を有すると共に、前記再循環気筒へ燃料ガスを供給する第2燃料ガス供給部を前記第1燃料ガス供給部とは別に有する補助エンジンを備え、
前記再循環気筒から前記通常気筒へ導かれる前記燃焼ガスの少なくとも一部を水性ガスシフト反応させる触媒を備えた構成において、
前記再循環気筒での燃焼用空気に含まれる酸素に対する燃料ガスの供給比率を制御する形態で前記再循環気筒での混合気の空気過剰率を1より小さくして混合気の少なくとも一部を燃焼させ部分酸化反応させて燃料ガスよりも着火性の高い高着火性ガスが含まれる前記燃焼ガスとしての改質ガスを前記再循環気筒にて生成して再循環させる改質ガス再循環運転状態を実行するように制御され、
前記改質ガス再循環運転状態にあるときに、前記再循環気筒にて生成される前記改質ガスの少なくとも一部を前記触媒へ通流させる水性ガスシフト反応制御を実行するように制御されるエンジンシステムの制御方法。 A premixed compression ignition engine having at least one normal cylinder for compressing and igniting and burning an air-fuel mixture of fuel gas and combustion air and having a first fuel gas supply unit for supplying fuel gas forming the air-fuel mixture A control method for an engine system,
The first fuel gas supply includes a recirculation cylinder capable of combusting the air-fuel mixture and recirculating the combustion gas after combustion to the normal cylinder, and supplying a fuel gas to the recirculation cylinder. Auxiliary engine that has separate from the part,
In a configuration including a catalyst that causes a water gas shift reaction of at least a part of the combustion gas guided from the recirculation cylinder to the normal cylinder,
Combusting at least a part of the air-fuel mixture by reducing the excess air ratio of the air-fuel mixture in the recirculation cylinder to less than 1 in the form of controlling the supply ratio of fuel gas to oxygen contained in the combustion air in the recirculation cylinder A reformed gas recirculation operation state in which the reformed gas as the combustion gas containing the highly ignitable gas having higher ignitability than the fuel gas by the partial oxidation reaction is generated and recirculated in the recirculation cylinder. Controlled to run,
An engine that is controlled to execute water gas shift reaction control for allowing at least a part of the reformed gas generated in the recirculation cylinder to flow to the catalyst when in the reformed gas recirculation operation state. How to control the system.
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