JP4418808B2 - 火花点火式エンジンのノッキング回避方法 - Google Patents

Description

本発明は、火花点火式エンジンのノッキング回避方法に関し、特に、燃料として、理論空気量の異なる２種以上の燃料ガスを混合した混合燃料ガスを使用するガスエンジンに適したノッキング回避方法に関する。

図６は、この種の火花点火式エンジンにおける従来のノッキング回避方法を示しており、縦軸は点火時期及びノッキング強度、横軸は時間であり、実線で示すグラフＸ１は、ノッキング強度の変化、Ｌはノッキング強度の閾値、破線で示すグラフＸ２は点火時期の変化を示している。この図６において、ノッキング強度Ｘ１が閾値Ｌを越えたことを検出すると、点火時期を遅らせ、これによりノッキング強度Ｘ１を低下させ、ノッキング強度Ｘ１が所定値まで低下した時点で、点火時期Ｘ２を進角させ、エンジンの熱効率を高めている。このような、点火時期の遅角及び進角を繰り返すことにより、ノッキング限界近くの高い熱効率を維持しつつ、ノッキングを回避している。

ところが、ＥＧＲ装置（排気ガス再循環装置）を備えている火花点火式エンジンでは、ＥＧＲ装置の開閉バルブの開度を変更すると、ノッキング強度が変化し、ＥＧＲ装置の開閉バルブと点火時期が干渉し、出力及び熱効率等が不安定となる。これに対し、従来、ＥＧＲ装置の作動状態変更に伴うＥＧＲの変化量を考慮し、点火時期の最適化を図る方法は開発されている（特許文献１）。
特開２０００−１７９４３８号公報

しかし、上記従来方法のように、排気中のＥＧＲの量を測り、それを考慮して点火時期を制御する方法では、制御が複雑化し、ノッキング発生時に速やかに対応することが困難である。

また、ＥＧＲ装置の開閉バルブの開度を一定にすると、逆にノッキング限界が低下し、低い熱効率状態でノッキングを回避することになる。

本発明は、簡単な制御により、ノッキング限界付近の高熱効率を維持しつつ、ノッキングを回避できる方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決するため、本願請求項１記載の発明は、火花点火式エンジンのノッキング回避方法において、エンジンは点火時期変更装置と、ＥＧＲ装置を備えており、前記点火時期変更装置により、所定周期で点火時期の進角と遅角とを繰り返すと同時に、ＥＧＲ装置の開閉バルブを、少なくとも前記点火時期の複数の周期に亘って緩やかな速度で開くことにより、点火時期の変更幅の略中心の点火時期が、所定のノッキング強度を維持する目標点火時期に近づくように制御する。

上記方法によると、ＥＧＲ装置の開閉バルブと点火時期が干渉せず、たとえば混合燃料ガスを使用するガスエンジンにおいて、混合ガス組成が変化しても、一律的な簡単な制御により、ノッキングを回避しつつ、ノッキング限界付近の高熱効率状態でエンジンを運転することができる。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の火花点火式エンジンのノッキング回避方法において、ＥＧＲ装置の開閉バルブの開度を所定のリミッター値で制限し、該リミッター値において、ノッキング強度が略閾値になるように前記変更幅の中心の点火時期を制御する。

上記方法によると、ＥＧＲ装置の開閉バルブと点火時期との組合せを変化させることにより、混合燃料ガスを使用するガスエンジンにおいて、より広範囲な混合ガス組成変化に対応して、ノッキングを回避しつつ、ノッキング限界付近の高熱効率状態でエンジンを運転することができる。

請求項３記載の発明は、請求項２記載の火花点火式エンジンのノッキング回避方法において、ＥＧＲ装置の開閉バルブの開度を所定のリミッター値で制限し、ＥＧＲ装置内の排気温度が高くなれば前記リミッター値を低くし、ＥＧＲ装置内の排気温度が低くなれば前記リミッター値を高くする。

上記方法によると、ＥＧＲ温度が変化しても、熱効率を低下させることなく、ノッキングを回避することができる。

図１〜図５は、本発明にかかるノッキング回避方法を実施するための火花点火式ガスエンジンの一例であり、これらの図面に基づいて、本発明の一実施の形態を説明する。

［エンジンの構成］
図１は、火花点火式ガスエンジン１の配管略図であり、たとえば、コジェネーレーション用ガスエンジンあるいはヒートポンプ用ガスエンジンである。この図１において、エンジン本体１の燃焼室２には、点火プラグ３が設けられると共に、吸気口５及び排気口６がそれぞれ吸気弁及び排気弁を介して開口し、吸気口５には吸気通路８が接続し、排気口６には排気通路９が接続されている。

点火プラグ３は点火コイル１０に電気的に接続し、点火コイル１０はコントローラ（制御装置）１２の出力部に電気的に接続し、コントローラ１２からの指令により、点火時期を任意に変更することが可能となっている。すなわち、点火コイル１０は、点火時期変更装置としても機能する。

吸気通路８内には、ベンチュリーミキサー１５が設けられると共に、該ベンチュリーミキサー１５の排気下流側近傍位置にスロット弁１６が設けられ、さらに、吸気通路８の上流端にはエアフィルター１７が設けられ、該エアフィルター１７を介して外部から吸気通路８内に空気を取り入れるようになっている。スロットル弁１６はガバナー２０により開閉するようになっており、ガバナー２０はコントローラ１２に電気的に接続されている。

前記ベンチュリーミキサー１５の燃料ガス噴出口１５ａは、燃料ガス通路２２を介して空燃比制御バルブ（燃料ガス供給バルブ）２３に接続し、該空燃比制御バルブ２３の入口部はレギュレータ２４を介して燃料タンク（燃焼ガス供給部）２５に接続している。空燃比制御バルブ２３は駆動モータ２８により開度が調節されるようになっており、該駆動モータ２８は前記コントローラ１２に接続されている。また、空燃比制御バルブ２３と並列にマス２７が設けられている。

前記排気通路９には、排気熱交換機３１が設けられると共に、該排気熱交換機３１の排気下流側にＥＧＲ装置のＥＧＲ管３２の排気回収口３２ａが開口している。ＥＧＲ管３２は開閉バルブ（ＥＧＲ開度調節バルブ）３３を備えると共に、排気出口３２ｂが吸気通路８の下流端部近傍に開口している。

各種パラメータの変化を測定するセンサーとしては、機関回転速度を検出する電磁ピックアップセンサー５１と、カム軸３６の回転を検出して吸気弁と排気弁の開閉時期を検出するカム信号電磁ピックアップセンサー５２と、排気口６と排気熱交換機３１との間の排気通路９に設けられて排気中の酸素濃度を測定することにより排気ガス中の空気過剰率を測定するリーンバーンセンサー５３と、吸気通路８の吸気下流端部に配置された吸気温度センサー５４と、エンジン本体１のシリンダに設置されて加速度によりノッキングを検出するノッキングセンサー５５と、筒内圧を測定することにより負荷を検出する負荷センサー５６と、排気熱交換機３１の排気温度を測定する排気温度センサー（ＥＧＲ温度センサー）５７と、を備えており、各センサー５１，５２，５３，５４、５５、５６、５７はコントローラ１２の入力部に電気的に接続されている。負荷センサー５６としては、筒内圧を測定するセンサーの代わりに、エンジンに連結された発電機の電力（電流）を測定するセンサーを使用することも可能である。

［ガスエンジンの基本的な作用］
燃料タンク２５内には、第１の燃料ガス（たとえばメタンガス）と、該第１の燃料ガスよりも理論空気量が少ない第２の燃料ガス（たとえばプロパンガス）と、を混合してなる混合燃料ガス６０が貯留されている。燃料タンク２５からの混合燃料ガス６０を、レギュレータ２４により調節し、空燃比制御バルブ２３の開度調節により、空気と混合して空燃比λを決定する。空燃比λが決定された混合燃料ガスは、燃料ガス通路２２を通り、ベンチュリーミキサー１５において空気（吸気）と混合される。空気と混合後の混合燃料ガスは、スロットル弁１６により吸気量を制御された後、燃焼室２に供給され、点火プラグ３により点火され燃焼される。

燃焼後の排気ガスは、排気口６から排気通路９に排出され、排気熱交換機３１により、適宜の熱媒体と熱交換された後、排出される。一部の排気ガスは、必要に応じてＥＧＲ管３２を介して吸気通路８に戻され、吸気と混合されて再度燃焼に利用される。ＥＧＲの温度は、エンジンの冷却液を利用して、所望の温度に調節して吸気通路８に戻すことが可能である。

［ＥＧＲ量と燃焼室内の圧縮端温度との関係］
図４は、図１のＥＧＲ管３２から吸気通路８に供給されるＥＧＲ量と、燃焼室２内（筒内）の圧縮端温度との関係を示しており、一定のＥＧＲ量の範囲内においては、ＥＧＲ量（低い温度）が増大すると、吸気内の水及びＣＯ2が増加し、混合燃焼ガスの比熱が増大するため、筒内の圧縮端温度が低くなる傾向がある。すなわち、比熱比は酸素が１．３９６、窒素が１．４０２であるのに対し、水蒸気が１．３３、ＣＯ2が１．３０であり、圧縮端温度は、比熱比が大きくなる程低くなるので、低い温度のＥＧＲ量が増大して、水蒸気及びＣＯ2の割合が大きくなれば、圧縮端温度は低くなる。そして、ノッキングは、圧縮端温度が低いほど発生しにくくなるので、ＥＧＲ（低温の場合）を使用すると、ノッキングがしにくくなることが分かる。ただし、ＥＧＲ温度が高い場合には、ＥＧＲ量が増大すると、圧縮端温度は上昇し、ノッキングし易くなる。したがって、ＥＧＲ温度の変化によって、ノッキングしにくいＥＧＲ率は変化する。

［ＥＧＲ温度とノッキング強度との関係］
図５は、縦軸がノッキング強度、横軸がＥＧＲ装置の開閉バルブ３３の開度（ＥＧＲ量）であり、破線のグラフＸ80はＥＧＲ温度が８０°の場合のノッキング強度の変化、実線のグラフＸ70はＥＧＲ温度が７０℃の場合のノッキング強度の変化、仮想線のグラフＸ60はＥＧＲ温度が６０℃の場合のノッキング強度の変化である。

いずれのグラフＸ80,Ｘ70,Ｘ60においても、それぞれ一定のバルブ開度（Ｄ80,Ｄ70,Ｄ60）までは、図４で説明したように、バルブ開度が増大するに従いノッキング強度は低下するが、一定の値、すなわちリミッター値Ｄ80,Ｄ70,Ｄ60を越えると、バルブ開度が増大するに従いノッキング強度が増加する傾向を有する。しかも、上記リミッター値Ｄ80,Ｄ70,Ｄ60は、ＥＧＲ温度が低い程、開閉バルブ開度大側に位置している。すなわち、ＥＧＲ温度が６０℃のグラフＸ60のリミッター値Ｄ60が、最もバルブ開度大側に位置し、ＥＧＲ温度が８０℃のグラフＸ80のリミッター値Ｄ80が最もバルブ開度小側に位置している。さらに、ＥＧＲ温度が低い程、各リミッター値におけるノッキング強度が低くなっている。すなわち、ＥＧＲ温度が６０℃のグラフＸ60のリミッター値Ｄ60における最低ノッキング強度が最も低く、ＥＧＲ温度が８０℃のグラフＸ80のリミッター値Ｄ80における最低ノッキング強度が最も高くなっている。

［第１の制御］
図１の点火コイル１０による点火時期の進角及び遅角の繰り返し制御と、ＥＧＲ装置の開閉バルブ３３の開閉制御によるＥＧＲ量の制御とを組み合わせることより、ＥＧＲ量の変化に拘らず、ノッキングを回避しつつ、ノッキング限界近くで、熱効率が最大に近い状態で制御する方法である。すなわち、所定周期で点火時期の進角と遅角とを繰り返すと同時に、ＥＧＲ装置の開閉バルブを、上記点火時期の周期よりも長い周期で、少なくとも前記点火時期の複数の周期に亘って緩やかな速度で開くことにより、点火時期の変更幅の略中心の点火時期が、所定のノッキング強度を維持する目標点火時期に近づくように制御するように、コントローラ１２内にプログラミングされる。

図３は第１の制御を具体的に示す図であり、縦軸の上段は点火時期及びノッキング強度、縦軸の下段はＥＧＲ装置の開閉バルブの開度、横軸は時間であり、実線で示すグラフＸ１はノッキング強度の変化、直線Ｌはノッキング強度の閾値の一例、破線で示すグラフＸ２は点火時期の変化、直線Ａは目標点火時期、グラフＸ３はＥＧＲ装置の開閉バルブ３３の開度の変化を示している。目標点火時期Ａとは、ノッキングを生じない範囲において、ノッキング限界付近のノッキング強度を維持する点火時期であり、前記図４及び図５で説明したＥＧＲ量及びその温度とノッキングとの関係から、予め実験及び実験結果からの計算により求められ、コントローラ１２に記憶されている。

図３において、所定周期で点火時期の進角と遅角とを繰り返す（グラフＸ２）と同時に、上記点火時期の進角と遅角との周期よりも数倍長い周期で開閉バルブ３３を緩やかに開くように制御する。このように、開閉バルブ３３を、点火時期の進角と遅角との繰り返し周期よりも緩やかに開くことにより、ＥＧＲ量（低い温度）を緩やかに増加させ、前記図４で説明したように圧縮端温度を低下させ、点火時期変更幅Ｗの略中心が、目標点火時期Ａに近づくように制御する。なお、上記制御により、目標点火時期を越えた場合には、ＥＧＲ装置の開閉バルブ３３の開度を小さくし、目標点火時期に戻るように制御する。

このように制御することにより、ＥＧＲ量が変化しても、ノッキング限界近くで制御することにより、ノッキングを回避しつつ、略最大の熱効率でエンジンを運転することができる。

図２は第１の制御のフロー図であり、ステップＳ１において、ノッキングセンサー５５により検出したノッキング強度Ｋを読み込み、ステップＳ２において、上記読み込んだノッキング強度Ｋからノッキング強度の統計処理値Ｋ１を計算する。統計処理計算Ｋ１とは、エンジンは、常に同じ強度で振動しているわけではないので、たとえば、３００サイクルでのノッキング強度（加速度）の平均値を採り、ノッキング統計処理値Ｋ１として利用する。

ステップ３において、ノッキング強度（処理計算値Ｋ１）がノッキング強度閾値Ｌより小さいか否かを判断する。ＮＯの場合、すなわち、ノッキング強度がノッキング強度閾値Ｌ以上の場合は、ノッキング強度を低くする必要があるので、ステップＳ７に進み、点火時期を遅角させることにより、ノッキング強度を下げ、ノッキングの発生を防止する。続いてステップＳ８に進み、ＥＧＲ装置の開閉バルブ３３の開度を増大させることにより、ノッキング強度を下げて、エンドに至る。

前記ステップＳ３においてＹＥＳの場合、すなわち、ノッキング強度がノッキング強度閾値Ｌまで至っていない場合には、ステップＳ４に進み、点火時期の変更幅Ｗの中心（点火時期の平均値）が目標点火時期Ａより遅れているか否かを判断し、ＮＯの場合、すなわち、目標点火時期Ａに達しているか、又は目標点火時期Ａよりも進んでいる場合には、エンドに至る。

一方ステップＳ４において、ＹＥＳの場合、すなわち、点火時期の変更幅Ｗの中心（点火時期の平均値）が目標点火時期Ａよりも遅れている場合には、ステップＳ５に進み、点火時期を進角させることにより、ノッキング強度を上げ、続いて開閉バルブ３３の開度を減少させ、エンドに至る。

上記のように制御することにより、ＥＧＲ装置の開閉バルブ３３と点火時期とは、ノッキング強度への影響が干渉せず、したがって、混合燃料ガスの組成が変化しても、ノッキングを回避しつつ、ノッキング限界近くの高い熱効率でエンジンを運転することができる。

［第２及び第３の制御］
第２の制御として、前記第１の制御に加え、前記図５で説明したＥＧＲ温度とノッキング強度との関係を考慮して、たとえば、各ＥＧＲ温度８０℃、７０℃、６０℃において、ＥＧＲ装置の開閉バルブ３３の開度を前記所定のリミッター値Ｄ80,Ｄ70、Ｄ60でそれぞれ制限し、リミッター値Ｄ80,Ｄ70、Ｄ60よりは開閉バルブ３３の開度が大きくならないように制御する。そして、該リミッター値Ｄ80,Ｄ70、Ｄ60において、ノッキング強度が略閾値になるように前記点火時期変更幅Ｗの中心の点火時期を制御する。なお、既に説明しているが、上記のようにＥＧＲ装置の開閉バルブ３３の開度を一定のリミッター値内で制限する場合において、ＥＧＲ装置内の排気温度が高くなれば前記リミッター値を低くし、ＥＧＲ装置内の排気温度が低くなれば前記リミッター値を高くすることになる。

すなわち、第２及び第３の制御では、たとえば、ＥＧＲ温度が８０℃、７０℃、６０℃における各リミッター値は、ノッキング強度が最も低くなる開閉バルブ３３の開度にそれぞれ設定されており、各リミッター値Ｄ80,Ｄ70、Ｄ60において、それぞれノッキング強度が閾値になるように制御を行う。

実際の制御においては、図１の排気熱交換機１５内の排気温度をＥＧＲ温度として測定し、エンジンの冷却水を基にして、排気熱交換機１５を制御することにより、ＥＧＲ温度は制御される。

上記第２及び第３の制御により、混合燃料ガスを使用するガスエンジンにおいて、より広範囲な混合ガス組成変化に対応して、ノッキングを回避しつつ、ノッキング限界付近の高熱効率状態でエンジンを運転することができる。また、ＥＧＲ温度が変化しても、熱効率を低下させることなく、ノッキングを回避することができる。

上記実施の形態では、燃料として、理論空気量の異なる２種類の燃料ガスを混合した燃料ガスを使用するガスエンジンに適用しているが、本発明は、火花点火式エンジンであれば、一種類の燃料ガス又はガソリンを使用する火花点火式エンジンにも適用することができる。

本発明にかかる制御方法を実施するための火花点火式ガスエンジンの配管略図である。 本発明による第１の制御のフロー図である。 第１の制御に関する点火時期、目標点火時期、ノッキング強度及びＥＧＲ装置の開閉バルブの開度の時系列的な関係を示す図である。 ＥＧＲ量（低温の場合）と筒内の圧縮端温度との関係を示す図である。 ＥＧＲ温度の相違によるノッキング強度と開閉バルブの開度との関係の変化を示す図である。 従来例における図３と同様な図である。

符号の説明

１ エンジン本体
２ 燃焼室
１２ コントローラ（制御装置）
５５ ノッキングセンサー
３２ ＥＧＲ装置のＥＧＲ管
３３ ＥＧＲ装置の開閉バルブ
５５ ノッキングセンサー
５７ 排気温度センサー（ＥＧＲ温度センサー）

Claims (3)

1. 火花点火式エンジンのノッキング回避方法において、
   エンジンは点火時期変更装置と、ＥＧＲ装置を備えており、
   前記点火時期変更装置により、所定周期で点火時期の進角と遅角とを繰り返すと同時に、ＥＧＲ装置の開閉バルブを、少なくとも前記点火時期の複数の周期に亘って緩やかな速度で開くことにより、点火時期の変更幅の略中心の点火時期が、所定のノッキング強度を維持する目標点火時期に近づくように制御することを特徴とする火花点火式エンジンのノッキング回避方法。
2. 請求項１記載の火花点火式エンジンのノッキング回避方法において、
   ＥＧＲ装置の開閉バルブの開度を所定のリミッター値で制限し、該リミッター値において、ノッキング強度が略閾値になるように前記変更幅の中心の点火時期を制御することを特徴とする火花点火式エンジンのノッキング回避方法。
3. 請求項２記載の火花点火式エンジンのノッキング回避方法において、
   ＥＧＲ装置の開閉バルブの開度を所定のリミッター値で制限し、
   ＥＧＲ装置内の排気温度が高くなれば前記リミッター値を低くし、ＥＧＲ装置内の排気温度が低くなれば前記リミッター値を高くすることを特徴とする火花点火式エンジンのノッキング回避方法。
   

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