JP4233340B2 - 内燃機関の燃焼制御システム及び燃焼制御方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の運転状態に関する状態関連値を検出する状態関連値検出手段と、前記状態関連値検出手段で検出された状態関連値に基づいて前記内燃機関への燃料供給量を制御する制御手段とを備えた燃焼制御システム及び燃焼制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の内燃機関の燃焼制御システムは、内燃機関の運転状態に関する状態関連値として例えば吸気路に流通する空気の温度、圧力、湿度等を検出する各種センサ（状態関連値検出手段）と、吸気路を流通する空気に対して供給される燃料供給量を調整可能な燃料制御弁を働かせて、夫々のセンサで検出された状態関連値に基づいて前記内燃機関への燃料供給量を制御する制御手段として機能するコントロールユニットとを備え、この内燃機関の燃焼制御システムにより、燃焼室に吸気され燃焼する混合気の空燃比を、安定且つ高効率の燃焼状態を得ることができる最適な空燃比に維持することができる。
【０００３】
一般的に利用されている内燃機関の多くは、上記内燃機関に供給される燃料の発熱量が一定であることを前提にして、最適な空燃比等の各種条件が設定されていた。
即ち、上記のような従来の燃焼制御システムを備えた内燃機関において、発熱量が一定でない燃料を供給すると、ノッキングや失火等による効率の低下や排ガス性状の悪化等が発生する恐れがある。
【０００４】
そこで、従来の内燃機関の燃焼制御システムとして、燃料の燃焼化学当量値の変化傾向に基づいて空燃比をフィードフォワード制御するものが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。かかる燃焼制御システムは、内燃機関において、バイオガスやオフガス等の燃料を供給することを想定しており、燃料の燃焼化学当量値が変化しても、その燃焼化学当量値の変化傾向に基づいて、吸気路を流通する空気への燃料供給量を制御し、空燃比をその燃料に適した最適空燃比に調整して、好ましい燃焼状態を維持するためのものである。
また、この特許文献１に開示されている燃焼制御システムは、内燃機関に供給される燃料の一部を取出し、取り出した燃料に所定量の空気を混合して実際に燃焼させ、その燃焼後に排出される排ガスの酸素濃度を検出することにより、その酸素濃度から燃料の燃焼化学当量値を算出し、その算出した燃焼化学当量値に基づいて、直接燃料供給量等を上記予測した燃料化学当量値に適したものにフィードフォワード制御するように構成されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−２２１０９９号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特許文献１に開示されている燃焼制御システムでは、燃料の燃焼化学当量値自身を認識するために、取り出した燃料を燃焼させるための燃焼装置が必要であり燃焼制御システムが複雑且つ高価になる。
また、この燃焼制御システムは、予め格納しておいた燃焼化学当量値と最適な燃料供給量との相関関係を用いて、認識した燃焼化学当量値から最適な燃料供給量を導出し、燃料供給量を制御するという、燃料の性状が安定していない内燃機関に特化したものである。よって、従来の燃料の性状が安定していることを前提とする内燃機関を、燃料の性状が不安定な場合にも対応できるように改造する場合においては、燃焼制御システムとしてのコントロールユニット自身を取り替えるなどの大幅な変更が必要となる。
【０００７】
従って、本発明は、上記の事情に鑑みて、燃料の性状が安定していることを前提とする内燃機関に対して、比較的小幅な変更を加えるだけで、燃料の性状が不安定な場合にも安定した燃焼状態を維持できる燃焼制御システムを実現することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するための本発明に係る内燃機関の燃焼制御システムの第一特徴構成は、内燃機関の運転状態に関する状態関連値を検出する状態関連値検出手段と、
前記状態関連値検出手段で検出された状態関連値に基づいて前記内燃機関への燃料供給量を制御する制御手段とを備えた燃焼制御システムであって、
前記内燃機関へ供給される燃料の発熱量に関する発熱量関連値を検出する発熱量関連値検出手段と、
前記状態関連値検出手段で検出された前記状態関連値を、前記発熱量関連値検出手段で検出された発熱量関連値に基づいて補正して、前記制御手段に入力する補正手段とを備え、
前記状態関連値検出手段の１つとして、前記内燃機関へ供給される空気の比熱に関する空気比熱関連値を前記状態関連値として検出する空気比熱関連値検出手段を備え、
前記補正手段が、前記空気比熱関連値検出手段で検出された空気比熱関連値を、前記発熱量関連値検出手段で検出された発熱量関連値に基づいて補正して前記制御手段に入力する手段であり、
前記制御手段が、前記補正手段で補正された空気比熱関連値から認識される空気の比熱と、前記空気比熱関連値以外の複数の前記状態関連値から認識される空気の密度とに基づいて、前記内燃機関への燃料供給量を制御する手段である点にある。
【０００９】
また、この目的を達成するための本発明に係る内燃機関の燃焼制御方法の特徴構成は、内燃機関の運転状態に関する状態関連値を検出し、前記検出された状態関連値に基づいて前記内燃機関への燃料供給量を制御する内燃機関の燃焼制御方法であって、
前記内燃機関へ供給される燃料の発熱量に関する発熱量関連値を検出し、前記検出された前記状態関連値の１つとしての前記内燃機関へ供給される空気の比熱に関する空気比熱関連値を、前記検出された発熱量関連値に基づいて補正して、前記補正後の前記空気比熱関連値から認識される空気の比熱と前記空気比熱関連値以外の複数の前記状態関連値から認識される空気の密度とに基づいて前記燃料供給量を制御する点にある。
【００１０】
即ち、上記第一特徴構成の内燃機関の燃焼制御システム及び燃焼制御方法によれば、上記状態関連値検出手段から出力された状態関連値が一旦上記補正手段に取込まれ、取込まれた上記状態関連値が上記発熱量関連値検出手段で検出された燃料の発熱量関連値に基づいて補正され、補正後の状態関連値が制御手段に入力される。そして、その入力された補正後の状態関連値に基づいて燃料供給量が制御されるので、燃料の発熱量が不安定な場合でも、上記燃料供給量を上記発熱量関連値が示す燃料の発熱量に適したものに制御して、燃焼状態を安定したものに維持し、効率の低下や排ガス性状の悪化等を防止することができる。
【００１１】
そして、かかる内燃機関の燃焼制御システムは、従来の少なくとも１つの上記状態関連値検出手段とコントロールユニットからなる上記制御手段とにより燃焼制御を行う燃焼制御システムに対して、上記発熱量関連値検出手段に接続された補正手段として機能する演算処理装置等を、ある状態関連値検出手段と上記コントロールユニットとの間に介装するだけで、実現することができる。
内燃機関において、燃焼室に吸気される空気の比熱は、燃焼室における温度上昇状態、即ち燃焼状態に影響を与えるものであるので、好ましくは空気の湿度を上記空気比熱関連値として検出する湿度センサ等の上記空気比熱関連値検出手段を設けて、上記制御手段により、上記空気比熱関連値に基づいて燃料供給量を制御して、燃焼室における燃焼状態を安定させることが好ましい。
更に、上記のように空気比熱関連値に基づいて燃料供給量を制御する内燃機関において、上記空気比熱関連値と同様に燃焼室における燃焼状態に影響を与える燃料の発熱量関連値を、上記空気比熱関連値に容易に換算することができ、その換算した上記発熱量関連値により補正した上記空気比熱関連値に基づいて燃料供給量を制御することで、空気の比熱が不安定であり更には燃料の発熱量が不安定な場合でも、燃焼室における燃焼状態を安定したものとすることができる。
【００１２】
本発明に係る内燃機関の燃焼制御システムの第二特徴構成は、上記第一特徴構成に加えて、前記発熱量関連値検出手段が、前記発熱量関連値として、前記燃料中における音速又は熱伝導度を検出する手段である点にある。
【００１３】
即ち、上記第二特徴構成の内燃機関の燃焼制御システムによれば、上記発熱量関連値検出手段を上記燃料の発熱量との間に相関を有する燃料中における音速又は熱伝導度を計測するという簡単且つ安価に構成できるものとして、その計測された音速又は熱伝導度を上記発熱量関連値として検出することができる。
【００１７】
更に、本発明に係る内燃機関の燃焼制御システムによれば、通常のガソリン等のように発熱量が安定している燃料ではなく、厳密な組成の調整がされておらず発熱量が不安定となる可能性がある天然ガス系都市ガスや、比重の差によりボンベから供給されるプロパンとブタン等との割合が変化して発熱量が不安定となる可能性がある液化石油ガス（ＬＰＧ）等の、例えば複数の炭化水素からなりその割合が変化して発熱量が変化する可能性がある気体燃料を使用しても、その燃料の発熱量関連値に基づいて補正され状態値により燃料供給量を制御して、燃料状態を安定したものに維持することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明に係る内燃機関の燃焼制御システムの実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１９】
図１に示す内燃機関としてのエンジン１は、シリンダ４内面と、シリンダ４内に復移動自在に収容されているピストン５の頂面とによって規定される燃焼室２に、吸気路３から燃料と空気との混合気を吸気し、吸気した混合気を燃焼室２において燃焼・膨張させてピストンを押し下げて軸動力を得るように構成されている。
【００２０】
また、エンジン１の吸気路３には、吸気路３を流通する空気に、天然ガス系都市ガスである燃料を供給して、混合気を形成するミキサ６が設けられている。
【００２１】
燃料は、先ず、ガバナ１０により低圧とされて燃料供給路７に供給された後に、燃料供給路７に連通する燃料供給路８を介してミキサ６に供給される。
また、燃料供給路８には、燃料供給路８を流通しミキサ６に供給される燃料流量を調整可能な燃料制御弁１１が設けられている。
【００２２】
更に、エンジン１の吸気路３のミキサ６の上流側には、エンジン１の運転状態に関する状態関連値を検出する状態関連値検出手段として、空気の温度を検出しその温度に関する温度データＴを出力する温度センサ２３、空気の圧力を検出しその圧力に関する圧力データＰを出力する圧力センサ２４、空気の湿度を検出しその湿度に関する湿度データＨｕを出力する湿度センサ３２が設けられている。
【００２３】
エンジン１の燃焼制御システムとして設けられたメインコントロールユニット２０（以下、ＭＣＵ２０と略称する。）は、所定の入力信号に基づいて各種演算処理を行い、演算結果に基づいて所定の出力信号を出力するコンピュータからなり、このＭＣＵ２０が所定のプログラムを実行することで機能する制御手段２１等により、エンジン１の燃焼制御等の各種制御が行われる。そのため、上記各センサ２３，２４，３２で検出された上記状態関連値としての空気の温度，圧力，湿度に関する各種データＴ，Ｐ，Ｈｕは、直接又は間接的にＭＣＵ２０に入力され、制御手段２１では、これら入力されたデータに基づいて、ミキサ６に供給される燃料供給量がエンジン１の上記状態関連値に対して最適なものとなるための燃料制御弁１１の弁開度に関する制御量データＧを演算処理により導出する。そして、ＭＣＵ２０は、制御手段２１で演算処理して導出した制御量データＧを燃料制御弁１１側に出力することで、燃料制御弁１１の弁開度は、その制御量データＧに基づいて設定され、空気に対する燃料供給量，即ち、燃焼室２に吸気される混合気の空燃比が制御される。即ち、制御量データＧが増加すればミキサ６への燃料供給量は増加し、逆に、制御量データＧが減少すればミキサ６への燃料制御量は減少する。
【００２４】
エンジン１の燃料供給路７のガバナ１０の下流側には、ミキサ６へ供給される燃料の発熱量に関する発熱量関連値を検出し、その発熱量関連値を示す発熱量データＣａｌを出力する熱量計３３（発熱量関連値検出手段の一例）が設けられている。
【００２５】
具体的には、上記熱量計３３は、上記燃料の発熱量との間に相関を有する燃料中における音速又は熱伝導度を、上記発熱量関連値として検出するように構成されている。
【００２６】
エンジン１に設けられたＳＣＵ３０は、上記熱量計３３から出力された発熱量データＣａｌ及び上記湿度センサ３２から出力された湿度データＨｕが入力され、その入力されたデータに基づいて各種演算処理を行い、演算結果に関する所定の出力信号をＭＣＵ２０側に出力するコンピュータからなる。
【００２７】
詳しくは、ＳＣＵ３０が所定のプログラムを実行することで機能する補正手段３１では、上記湿度センサ３２で検出された空気の湿度に関する湿度データＨｕを、熱量系３３から出力された発熱量データＣａｌに基づいて補正して、補正後の湿度データＨｕ’をＭＣＵ２０側に出力するように構成されている。
【００２８】
即ち、本エンジン１の燃焼制御システムは、湿度データＨｕと温度データＴと圧力データＰとを直接ＭＣＵ２０に入力して燃料制御量を制御するＭＣＵ２０を備えたエンジン１に対して、熱量計３３を設置すると共に、湿度センサ３０とＭＣＵ２０との間にＳＣＵ３０を介装するというような簡単な改変により構成されている。
【００２９】
これまで説明してきたＭＣＵ２０及びＳＣＵ３０における各演算処理の詳細について、図２のブロック線図に基づいて説明する。
【００３０】
湿度センサ３２から出力された空気の湿度に関する湿度データＨｕと、熱量計３３から出力された燃料の発熱量に関する熱量データＣａｌとは、ＳＣＵ３０に入力されて、補正手段３１における補正演算処理５１に利用される。
【００３１】
即ち、補正手段５１は、上記湿度データＨｕと上記熱量データＣａｌとを、下記の数１に示す式に代入して、補正後の湿度データＨｕ’を得る。
【００３２】
【数１】
Ｈｕ’＝Ｈｕ−Ｐ（Ｃａｌ）
【００３３】
即ち、上記数１に示す式において、上記熱量データＣａｌが代入される項Ｐ（Ｃａｌ）は、熱量データＣａｌの基準からの変化量を上記空気の比熱に関連する湿度データＨｕの変化量に換算する式であり、例えば、Ｐ（Ｃａｌ）＝ａ（Ｃａｌ−ｂ）（ａ，ｂはエンジン試験から求めた定数）とすることができる。よって、熱量データＣａｌの増加は、空気の比熱の減少として取り扱われ、逆に、熱量データＣａｌの減少は、空気の比熱の増加として取り扱われる。
【００３４】
また、上記補正処理５１においは、上記熱量計３３を流通した燃料がミキサ６に到達するまでの時間遅れを考慮して、補正後の湿度データＨｕ’をその時間遅れ分遅らせて出力している。
【００３５】
次に、上記補正処理５１により補正した補正後の湿度データＨｕ’は、上記温度センサ２３から出力された空気の温度に関する温度データＴ及び上記圧力センサ２４から出力された空気の圧力に関する圧力データＰと共に、ＭＣＵ２０に入力されて、制御手段２１における制御量演算処理５２に利用される。
【００３６】
即ち、制御手段２１は、上記補正後の湿度データＨｕ’と上記温度データＴと上記圧力データＰとを、下記の数２に示す式に代入して、燃料制御弁１１の弁開度、即ち燃料供給量に関する制御量データＧを得る。
【００３７】
【数２】
Ｇ＝Ｑ（Ｈｕ’）＋Ｒ（Ｔ，Ｐ）
【００３８】
上記数２に示す式において、補正後の湿度データＨｕ’が代入される項Ｑ（Ｈｕ’）は、空気の湿度から認識される空気の比熱との変化量とそれに対して変化させるべき燃料供給量に関する制御量データＧとの相関を示す式であり、例えば、Ｑ（Ｈｕ’）＝α・Ｈｕ’（αはエンジン試験から求めた定数）とすることができる。よって、空気の比熱に関する湿度データＨｕ’の増加に対しては、燃料供給量に関する制御量データＧは増加され、逆に、湿度データＨｕ’の減少に対しては、燃料供給量に関する制御量データＧは減少される。
【００３９】
また、上記数２に示す式において、温度データＴと圧力データＰとが代入される項Ｒ（Ｔ，Ｐ）は、空気の温度及び圧力から認識される空気の密度の変化量とそれに対して変化させるべき燃料供給量に関する制御量データＧとの相関を示す式であり、例えば、Ｒ（Ｔ，Ｐ）＝β・Ｔ＋γ・Ｐ（β，γはエンジン試験から求めた定数）とすることができる。よって、空気の温度に関する温度データＴの増加に対しては、温度増加による空気密度の減少を考慮して、燃料供給量に関する制御量データＧは減少され、逆に、温度データＴの減少に対しては制御量データＧは増加される。また、空気の圧力に関する圧力データＰの増加に対しては、圧力増加による空気密度の増加を考慮して、燃料供給量に関する制御量データＧは増加され、逆に、圧力データＰの減少に対しては制御量データＧは減少される。
【００４０】
そして、制御手段２１は、上記のような制御量演算処理５２により得た制御量データＧを燃料制御弁１１に出力し、ミキサ６への燃料供給量を、空気の湿度，温度，圧力に対して最適な空燃比を維持できる適切なものに制御することができる。
【００４１】
次に、本発明に係るエンジン１の燃焼制御システムの効果を確認するために、供給する燃料の発熱量を１０９００ｋｃａｌ／Ｎｍ３程度から１０５００ｋｃａｌ／Ｎｍ３程度まで変化させた場合において、本発明及び従来のエンジン１の軸動力による発電効率の計測し、その結果を説明する。
結果、従来のエンジンの燃焼制御システム、即ち、湿度データＨｕと温度データＴと圧力データＰとを直接ＭＣＵ２０に入力して燃料制御量を制御する制御システムでは、上記発電効率が３７．２％から３４．４％までの２．８ポイント低下したのに対して、本発明に係るエンジン１の燃料制御システムでは、３６．９％から３６．７％までの０．２ポイントしか低下せずに、燃料の発熱量が変化しても安定した燃料状態を得て、効率の低下や排ガス性状の悪化等を防止することができた。
【００４２】
〔別実施の形態〕
次に、本発明の別の実施の形態を説明する。
〈１〉 上記の実施形態において、燃料として特に組成の変化が大きいと予測される天然ガス系都市ガスを用いたが、燃料として、都市ガス以外の炭化水素系気体燃料、又はガソリン、軽油、重油、アルコール、水素等の燃料を使用することができる。
【００４３】
〈２〉 上記実施の形態において、制御手段２１は、ミキサ１１へ連通する燃料供給路８に設けられた燃料制御弁１１へ動作量データを出力して燃料供給量を制御するように構成したが、別に、燃料供給路８をバイパスして吸気路３に開口し、通常はエンジン始動時や急激な負荷上昇時等において燃料を追加供給するための燃料供給路９に設けられた燃料制御弁１２に、動作量データを出力して、燃料供給量を制御しても構わない。
【００４４】
〈３〉 上記実施の形態において、制御手段２１として機能するＭＣＵ２０と補正手段３１として機能するＳＣＵ３０とを別体のコンピュータで夫々構成したが、１つのコンピュータを上記制御手段２１及び補正手段３１として機能させても構わない。
【００４５】
〈４〉 本発明は、エンジンの燃焼形態を特に限定するものではなく、火花点火式や圧縮時着火式等のエンジンに対して適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】エンジンの燃焼制御システムの概略構成図
【図２】燃焼制御処理のブロック線図
【符号の説明】
１：エンジン（内燃機関）
２：燃焼室
３：吸気路
７，８，９：燃料供給路
１０：ガバナ
１１，１２：燃料制御弁
２０：メインコントロールユニット（ＭＣＵ）
２１：制御手段
２３：温度センサ（状態関連値検出手段）
２４：圧力センサ（状態関連値検出手段）
３０：サブコントロールユニット（ＳＣＵ）
３１：補正手段
３２：湿度センサ（状態関連値検出手段）
３３：熱量計（発熱量関連値検出手段）
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の運転状態に関する状態関連値を検出する状態関連値検出手段と、前記状態関連値検出手段で検出された状態関連値に基づいて前記内燃機関への燃料供給量を制御する制御手段とを備えた燃焼制御システム及び燃焼制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の内燃機関の燃焼制御システムは、内燃機関の運転状態に関する状態関連値として例えば吸気路に流通する空気の温度、圧力、湿度等を検出する各種センサ（状態関連値検出手段）と、吸気路を流通する空気に対して供給される燃料供給量を調整可能な燃料制御弁を働かせて、夫々のセンサで検出された状態関連値に基づいて前記内燃機関への燃料供給量を制御する制御手段として機能するコントロールユニットとを備え、この内燃機関の燃焼制御システムにより、燃焼室に吸気され燃焼する混合気の空燃比を、安定且つ高効率の燃焼状態を得ることができる最適な空燃比に維持することができる。
【０００３】
一般的に利用されている内燃機関の多くは、上記内燃機関に供給される燃料の発熱量が一定であることを前提にして、最適な空燃比等の各種条件が設定されていた。
即ち、上記のような従来の燃焼制御システムを備えた内燃機関において、発熱量が一定でない燃料を供給すると、ノッキングや失火等による効率の低下や排ガス性状の悪化等が発生する恐れがある。
【０００４】
そこで、従来の内燃機関の燃焼制御システムとして、燃料の燃焼化学当量値の変化傾向に基づいて空燃比をフィードフォワード制御するものが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。かかる燃焼制御システムは、内燃機関において、バイオガスやオフガス等の燃料を供給することを想定しており、燃料の燃焼化学当量値が変化しても、その燃焼化学当量値の変化傾向に基づいて、吸気路を流通する空気への燃料供給量を制御し、空燃比をその燃料に適した最適空燃比に調整して、好ましい燃焼状態を維持するためのものである。
また、この特許文献１に開示されている燃焼制御システムは、内燃機関に供給される燃料の一部を取出し、取り出した燃料に所定量の空気を混合して実際に燃焼させ、その燃焼後に排出される排ガスの酸素濃度を検出することにより、その酸素濃度から燃料の燃焼化学当量値を算出し、その算出した燃焼化学当量値に基づいて、直接燃料供給量等を上記予測した燃料化学当量値に適したものにフィードフォワード制御するように構成されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−２２１０９９号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特許文献１に開示されている燃焼制御システムでは、燃料の燃焼化学当量値自身を認識するために、取り出した燃料を燃焼させるための燃焼装置が必要であり燃焼制御システムが複雑且つ高価になる。
また、この燃焼制御システムは、予め格納しておいた燃焼化学当量値と最適な燃料供給量との相関関係を用いて、認識した燃焼化学当量値から最適な燃料供給量を導出し、燃料供給量を制御するという、燃料の性状が安定していない内燃機関に特化したものである。よって、従来の燃料の性状が安定していることを前提とする内燃機関を、燃料の性状が不安定な場合にも対応できるように改造する場合においては、燃焼制御システムとしてのコントロールユニット自身を取り替えるなどの大幅な変更が必要となる。
【０００７】
従って、本発明は、上記の事情に鑑みて、燃料の性状が安定していることを前提とする内燃機関に対して、比較的小幅な変更を加えるだけで、燃料の性状が不安定な場合にも安定した燃焼状態を維持できる燃焼制御システムを実現することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するための本発明に係る内燃機関の燃焼制御システムの第一特徴構成は、内燃機関の運転状態に関する状態関連値を検出する状態関連値検出手段と、
前記状態関連値検出手段で検出された状態関連値に基づいて前記内燃機関への燃料供給量を制御する制御手段とを備えた燃焼制御システムであって、
前記内燃機関へ供給される燃料の発熱量に関する発熱量関連値を検出する発熱量関連値検出手段と、
前記状態関連値検出手段で検出された前記状態関連値を、前記発熱量関連値検出手段で検出された発熱量関連値に基づいて補正して、前記制御手段に入力する補正手段とを備え、
前記状態関連値検出手段の１つとして、前記内燃機関へ供給される空気の比熱に関する空気比熱関連値を前記状態関連値として検出する空気比熱関連値検出手段を備え、
前記補正手段が、前記空気比熱関連値検出手段で検出された空気比熱関連値を、前記発熱量関連値検出手段で検出された発熱量関連値に基づいて補正して前記制御手段に入力する手段であり、
前記制御手段が、前記補正手段で補正された空気比熱関連値から認識される空気の比熱と、前記空気比熱関連値以外の複数の前記状態関連値から認識される空気の密度とに基づいて、前記内燃機関への燃料供給量を制御する手段である点にある。
【０００９】
また、この目的を達成するための本発明に係る内燃機関の燃焼制御方法の特徴構成は、内燃機関の運転状態に関する状態関連値を検出し、前記検出された状態関連値に基づいて前記内燃機関への燃料供給量を制御する内燃機関の燃焼制御方法であって、
前記内燃機関へ供給される燃料の発熱量に関する発熱量関連値を検出し、前記検出された前記状態関連値の１つとしての前記内燃機関へ供給される空気の比熱に関する空気比熱関連値を、前記検出された発熱量関連値に基づいて補正して、前記補正後の前記空気比熱関連値から認識される空気の比熱と前記空気比熱関連値以外の複数の前記状態関連値から認識される空気の密度とに基づいて前記燃料供給量を制御する点にある。
【００１０】
即ち、上記第一特徴構成の内燃機関の燃焼制御システム及び燃焼制御方法によれば、上記状態関連値検出手段から出力された状態関連値が一旦上記補正手段に取込まれ、取込まれた上記状態関連値が上記発熱量関連値検出手段で検出された燃料の発熱量関連値に基づいて補正され、補正後の状態関連値が制御手段に入力される。そして、その入力された補正後の状態関連値に基づいて燃料供給量が制御されるので、燃料の発熱量が不安定な場合でも、上記燃料供給量を上記発熱量関連値が示す燃料の発熱量に適したものに制御して、燃焼状態を安定したものに維持し、効率の低下や排ガス性状の悪化等を防止することができる。
【００１１】
そして、かかる内燃機関の燃焼制御システムは、従来の少なくとも１つの上記状態関連値検出手段とコントロールユニットからなる上記制御手段とにより燃焼制御を行う燃焼制御システムに対して、上記発熱量関連値検出手段に接続された補正手段として機能する演算処理装置等を、ある状態関連値検出手段と上記コントロールユニットとの間に介装するだけで、実現することができる。
内燃機関において、燃焼室に吸気される空気の比熱は、燃焼室における温度上昇状態、即ち燃焼状態に影響を与えるものであるので、好ましくは空気の湿度を上記空気比熱関連値として検出する湿度センサ等の上記空気比熱関連値検出手段を設けて、上記制御手段により、上記空気比熱関連値に基づいて燃料供給量を制御して、燃焼室における燃焼状態を安定させることが好ましい。
更に、上記のように空気比熱関連値に基づいて燃料供給量を制御する内燃機関において、上記空気比熱関連値と同様に燃焼室における燃焼状態に影響を与える燃料の発熱量関連値を、上記空気比熱関連値に容易に換算することができ、その換算した上記発熱量関連値により補正した上記空気比熱関連値に基づいて燃料供給量を制御することで、空気の比熱が不安定であり更には燃料の発熱量が不安定な場合でも、燃焼室における燃焼状態を安定したものとすることができる。
【００１２】
本発明に係る内燃機関の燃焼制御システムの第二特徴構成は、上記第一特徴構成に加えて、前記発熱量関連値検出手段が、前記発熱量関連値として、前記燃料中における音速又は熱伝導度を検出する手段である点にある。
【００１３】
即ち、上記第二特徴構成の内燃機関の燃焼制御システムによれば、上記発熱量関連値検出手段を上記燃料の発熱量との間に相関を有する燃料中における音速又は熱伝導度を計測するという簡単且つ安価に構成できるものとして、その計測された音速又は熱伝導度を上記発熱量関連値として検出することができる。
【００１７】
更に、本発明に係る内燃機関の燃焼制御システムによれば、通常のガソリン等のように発熱量が安定している燃料ではなく、厳密な組成の調整がされておらず発熱量が不安定となる可能性がある天然ガス系都市ガスや、比重の差によりボンベから供給されるプロパンとブタン等との割合が変化して発熱量が不安定となる可能性がある液化石油ガス（ＬＰＧ）等の、例えば複数の炭化水素からなりその割合が変化して発熱量が変化する可能性がある気体燃料を使用しても、その燃料の発熱量関連値に基づいて補正され状態値により燃料供給量を制御して、燃料状態を安定したものに維持することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明に係る内燃機関の燃焼制御システムの実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１９】
図１に示す内燃機関としてのエンジン１は、シリンダ４内面と、シリンダ４内に復移動自在に収容されているピストン５の頂面とによって規定される燃焼室２に、吸気路３から燃料と空気との混合気を吸気し、吸気した混合気を燃焼室２において燃焼・膨張させてピストンを押し下げて軸動力を得るように構成されている。
【００２０】
また、エンジン１の吸気路３には、吸気路３を流通する空気に、天然ガス系都市ガスである燃料を供給して、混合気を形成するミキサ６が設けられている。
【００２１】
燃料は、先ず、ガバナ１０により低圧とされて燃料供給路７に供給された後に、燃料供給路７に連通する燃料供給路８を介してミキサ６に供給される。
また、燃料供給路８には、燃料供給路８を流通しミキサ６に供給される燃料流量を調整可能な燃料制御弁１１が設けられている。
【００２２】
更に、エンジン１の吸気路３のミキサ６の上流側には、エンジン１の運転状態に関する状態関連値を検出する状態関連値検出手段として、空気の温度を検出しその温度に関する温度データＴを出力する温度センサ２３、空気の圧力を検出しその圧力に関する圧力データＰを出力する圧力センサ２４、空気の湿度を検出しその湿度に関する湿度データＨｕを出力する湿度センサ３２が設けられている。
【００２３】
エンジン１の燃焼制御システムとして設けられたメインコントロールユニット２０（以下、ＭＣＵ２０と略称する。）は、所定の入力信号に基づいて各種演算処理を行い、演算結果に基づいて所定の出力信号を出力するコンピュータからなり、このＭＣＵ２０が所定のプログラムを実行することで機能する制御手段２１等により、エンジン１の燃焼制御等の各種制御が行われる。そのため、上記各センサ２３，２４，３２で検出された上記状態関連値としての空気の温度，圧力，湿度に関する各種データＴ，Ｐ，Ｈｕは、直接又は間接的にＭＣＵ２０に入力され、制御手段２１では、これら入力されたデータに基づいて、ミキサ６に供給される燃料供給量がエンジン１の上記状態関連値に対して最適なものとなるための燃料制御弁１１の弁開度に関する制御量データＧを演算処理により導出する。そして、ＭＣＵ２０は、制御手段２１で演算処理して導出した制御量データＧを燃料制御弁１１側に出力することで、燃料制御弁１１の弁開度は、その制御量データＧに基づいて設定され、空気に対する燃料供給量，即ち、燃焼室２に吸気される混合気の空燃比が制御される。即ち、制御量データＧが増加すればミキサ６への燃料供給量は増加し、逆に、制御量データＧが減少すればミキサ６への燃料制御量は減少する。
【００２４】
エンジン１の燃料供給路７のガバナ１０の下流側には、ミキサ６へ供給される燃料の発熱量に関する発熱量関連値を検出し、その発熱量関連値を示す発熱量データＣａｌを出力する熱量計３３（発熱量関連値検出手段の一例）が設けられている。
【００２５】
具体的には、上記熱量計３３は、上記燃料の発熱量との間に相関を有する燃料中における音速又は熱伝導度を、上記発熱量関連値として検出するように構成されている。
【００２６】
エンジン１に設けられたＳＣＵ３０は、上記熱量計３３から出力された発熱量データＣａｌ及び上記湿度センサ３２から出力された湿度データＨｕが入力され、その入力されたデータに基づいて各種演算処理を行い、演算結果に関する所定の出力信号をＭＣＵ２０側に出力するコンピュータからなる。
【００２７】
詳しくは、ＳＣＵ３０が所定のプログラムを実行することで機能する補正手段３１では、上記湿度センサ３２で検出された空気の湿度に関する湿度データＨｕを、熱量系３３から出力された発熱量データＣａｌに基づいて補正して、補正後の湿度データＨｕ’をＭＣＵ２０側に出力するように構成されている。
【００２８】
即ち、本エンジン１の燃焼制御システムは、湿度データＨｕと温度データＴと圧力データＰとを直接ＭＣＵ２０に入力して燃料制御量を制御するＭＣＵ２０を備えたエンジン１に対して、熱量計３３を設置すると共に、湿度センサ３０とＭＣＵ２０との間にＳＣＵ３０を介装するというような簡単な改変により構成されている。
【００２９】
これまで説明してきたＭＣＵ２０及びＳＣＵ３０における各演算処理の詳細について、図２のブロック線図に基づいて説明する。
【００３０】
湿度センサ３２から出力された空気の湿度に関する湿度データＨｕと、熱量計３３から出力された燃料の発熱量に関する熱量データＣａｌとは、ＳＣＵ３０に入力されて、補正手段３１における補正演算処理５１に利用される。
【００３１】
即ち、補正手段５１は、上記湿度データＨｕと上記熱量データＣａｌとを、下記の数１に示す式に代入して、補正後の湿度データＨｕ’を得る。
【００３２】
【数１】
Ｈｕ’＝Ｈｕ−Ｐ（Ｃａｌ）
【００３３】
即ち、上記数１に示す式において、上記熱量データＣａｌが代入される項Ｐ（Ｃａｌ）は、熱量データＣａｌの基準からの変化量を上記空気の比熱に関連する湿度データＨｕの変化量に換算する式であり、例えば、Ｐ（Ｃａｌ）＝ａ（Ｃａｌ−ｂ）（ａ，ｂはエンジン試験から求めた定数）とすることができる。よって、熱量データＣａｌの増加は、空気の比熱の減少として取り扱われ、逆に、熱量データＣａｌの減少は、空気の比熱の増加として取り扱われる。
【００３４】
また、上記補正処理５１においは、上記熱量計３３を流通した燃料がミキサ６に到達するまでの時間遅れを考慮して、補正後の湿度データＨｕ’をその時間遅れ分遅らせて出力している。
【００３５】
次に、上記補正処理５１により補正した補正後の湿度データＨｕ’は、上記温度センサ２３から出力された空気の温度に関する温度データＴ及び上記圧力センサ２４から出力された空気の圧力に関する圧力データＰと共に、ＭＣＵ２０に入力されて、制御手段２１における制御量演算処理５２に利用される。
【００３６】
即ち、制御手段２１は、上記補正後の湿度データＨｕ’と上記温度データＴと上記圧力データＰとを、下記の数２に示す式に代入して、燃料制御弁１１の弁開度、即ち燃料供給量に関する制御量データＧを得る。
【００３７】
【数２】
Ｇ＝Ｑ（Ｈｕ’）＋Ｒ（Ｔ，Ｐ）
【００３８】
上記数２に示す式において、補正後の湿度データＨｕ’が代入される項Ｑ（Ｈｕ’）は、空気の湿度から認識される空気の比熱との変化量とそれに対して変化させるべき燃料供給量に関する制御量データＧとの相関を示す式であり、例えば、Ｑ（Ｈｕ’）＝α・Ｈｕ’（αはエンジン試験から求めた定数）とすることができる。よって、空気の比熱に関する湿度データＨｕ’の増加に対しては、燃料供給量に関する制御量データＧは増加され、逆に、湿度データＨｕ’の減少に対しては、燃料供給量に関する制御量データＧは減少される。
【００３９】
また、上記数２に示す式において、温度データＴと圧力データＰとが代入される項Ｒ（Ｔ，Ｐ）は、空気の温度及び圧力から認識される空気の密度の変化量とそれに対して変化させるべき燃料供給量に関する制御量データＧとの相関を示す式であり、例えば、Ｒ（Ｔ，Ｐ）＝β・Ｔ＋γ・Ｐ（β，γはエンジン試験から求めた定数）とすることができる。よって、空気の温度に関する温度データＴの増加に対しては、温度増加による空気密度の減少を考慮して、燃料供給量に関する制御量データＧは減少され、逆に、温度データＴの減少に対しては制御量データＧは増加される。また、空気の圧力に関する圧力データＰの増加に対しては、圧力増加による空気密度の増加を考慮して、燃料供給量に関する制御量データＧは増加され、逆に、圧力データＰの減少に対しては制御量データＧは減少される。
【００４０】
そして、制御手段２１は、上記のような制御量演算処理５２により得た制御量データＧを燃料制御弁１１に出力し、ミキサ６への燃料供給量を、空気の湿度，温度，圧力に対して最適な空燃比を維持できる適切なものに制御することができる。
【００４１】
次に、本発明に係るエンジン１の燃焼制御システムの効果を確認するために、供給する燃料の発熱量を１０９００ｋｃａｌ／Ｎｍ３程度から１０５００ｋｃａｌ／Ｎｍ３程度まで変化させた場合において、本発明及び従来のエンジン１の軸動力による発電効率の計測し、その結果を説明する。
結果、従来のエンジンの燃焼制御システム、即ち、湿度データＨｕと温度データＴと圧力データＰとを直接ＭＣＵ２０に入力して燃料制御量を制御する制御システムでは、上記発電効率が３７．２％から３４．４％までの２．８ポイント低下したのに対して、本発明に係るエンジン１の燃料制御システムでは、３６．９％から３６．７％までの０．２ポイントしか低下せずに、燃料の発熱量が変化しても安定した燃料状態を得て、効率の低下や排ガス性状の悪化等を防止することができた。
【００４２】
〔別実施の形態〕
次に、本発明の別の実施の形態を説明する。
〈１〉 上記の実施形態において、燃料として特に組成の変化が大きいと予測される天然ガス系都市ガスを用いたが、燃料として、都市ガス以外の炭化水素系気体燃料、又はガソリン、軽油、重油、アルコール、水素等の燃料を使用することができる。
【００４３】
〈２〉 上記実施の形態において、制御手段２１は、ミキサ１１へ連通する燃料供給路８に設けられた燃料制御弁１１へ動作量データを出力して燃料供給量を制御するように構成したが、別に、燃料供給路８をバイパスして吸気路３に開口し、通常はエンジン始動時や急激な負荷上昇時等において燃料を追加供給するための燃料供給路９に設けられた燃料制御弁１２に、動作量データを出力して、燃料供給量を制御しても構わない。
【００４４】
〈３〉 上記実施の形態において、制御手段２１として機能するＭＣＵ２０と補正手段３１として機能するＳＣＵ３０とを別体のコンピュータで夫々構成したが、１つのコンピュータを上記制御手段２１及び補正手段３１として機能させても構わない。
【００４５】
〈４〉 本発明は、エンジンの燃焼形態を特に限定するものではなく、火花点火式や圧縮時着火式等のエンジンに対して適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】エンジンの燃焼制御システムの概略構成図
【図２】燃焼制御処理のブロック線図
【符号の説明】
１：エンジン（内燃機関）
２：燃焼室
３：吸気路
７，８，９：燃料供給路
１０：ガバナ
１１，１２：燃料制御弁
２０：メインコントロールユニット（ＭＣＵ）
２１：制御手段
２３：温度センサ（状態関連値検出手段）
２４：圧力センサ（状態関連値検出手段）
３０：サブコントロールユニット（ＳＣＵ）
３１：補正手段
３２：湿度センサ（状態関連値検出手段）
３３：熱量計（発熱量関連値検出手段）
Claims (5)
- 内燃機関の運転状態に関する状態関連値を検出する状態関連値検出手段と、
前記状態関連値検出手段で検出された状態関連値に基づいて前記内燃機関への燃料供給量を制御する制御手段とを備えた燃焼制御システムであって、
前記内燃機関へ供給される燃料の発熱量に関する発熱量関連値を検出する発熱量関連値検出手段と、
前記状態関連値検出手段で検出された前記状態関連値を、前記発熱量関連値検出手段で検出された発熱量関連値に基づいて補正して、前記制御手段に入力する補正手段とを備え、
前記状態関連値検出手段の１つとして、前記内燃機関へ供給される空気の比熱に関する空気比熱関連値を前記状態関連値として検出する空気比熱関連値検出手段を備え、
前記補正手段が、前記空気比熱関連値検出手段で検出された空気比熱関連値を、前記発熱量関連値検出手段で検出された発熱量関連値に基づいて補正して前記制御手段に入力する手段であり、
前記制御手段が、前記補正手段で補正された空気比熱関連値から認識される空気の比熱と、前記空気比熱関連値以外の複数の前記状態関連値から認識される空気の密度とに基づいて、前記内燃機関への燃料供給量を制御する手段である内燃機関の燃焼制御システム。 - 前記発熱量関連値検出手段が、前記発熱量関連値として、前記燃料中における音速又は熱伝導度を検出する手段である請求項１に記載の内燃機関の燃焼制御システム。
- 前記空気比熱関連値検出手段が、前記空気比熱関連値として前記空気の湿度を検出する湿度センサである請求項１又は２に記載の内燃機関の燃焼制御システム。
- 前記燃料が炭化水素系の気体燃料である請求項１から３の何れか１項に記載の内燃機関の燃焼制御システム。
- 内燃機関の運転状態に関する状態関連値を検出し、前記検出された状態関連値に基づいて前記内燃機関への燃料供給量を制御する内燃機関の燃焼制御方法であって、
前記内燃機関へ供給される燃料の発熱量に関する発熱量関連値を検出し、前記検出された前記状態関連値の１つとしての前記内燃機関へ供給される空気の比熱に関する空気比熱関連値を、前記検出された発熱量関連値に基づいて補正して、前記補正後の前記空気比熱関連値から認識される空気の比熱と前記空気比熱関連値以外の複数の前記状態関連値から認識される空気の密度とに基づいて前記燃料供給量を制御する内燃機関の燃焼制御方法。
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