JP5836114B2 - ガスエンジンの燃焼制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、低コストな手段で気筒毎にノッキング限界点火時期を設定可能にし、機関出力や燃費を向上可能にしたガスエンジンの燃焼制御装置に関する。

ガスエンジンは、ガス燃料と空気との混合気の中で火炎が伝搬するため、燃料の噴射と着火とがほぼ同時に起こるディ−ゼルエンジンと比べて、ノッキングが起こりやすい。ガスエンジンの出力や燃費を向上させるためには、点火時期の進角が必要であるが、点火時期の進角には、ノッキングが制約となっている。即ち、図５に示すように、点火時期を進角するほど、熱効率は向上するが、点火時期の進角はノッキングによる制約を受ける。

また、図６に示すように、出力や回転数が大きくなるほど、ノッキングを発生しやすくなるため、進角可能な領域が狭められる。図７は、給気温度が高いほどノッキング頻度は高くなることを示している。そのため、ノッキング頻度がしきい値を超えないようにするためには、給気温度を下げ、点火時期を遅角させる必要がある。一方、気筒毎に燃焼状態やノッキングの生じやすさが異なるため、ノッキングの生じやすさに応じて、気筒毎にノッキングを発生することなく最大限進角できるノッキング限界点火時期を設定する必要がある。

特許文献１には、複数の気筒を備えた内燃機関において、各気筒のノッキング防止制御を点火時期の調整により行う手段が開示されている。この手段のノッキングの検出方法は、気筒の振動状態を検出するノックセンサーによって検出される。

特許文献２には、圧縮比可変型エンジンにおいて、筒内圧センサーによってノッキングの発生を検出し、圧縮比及び点火時期を制御して、ノッキングを防止すると共に、熱効率、ドライバビリティを向上させる手段が開示されている。特許文献３には、複数の気筒を備えたガス機関において、ノッキングを起こさず、所定以上の熱効率を得るため、全気筒に設けたノッキングセンサー（例えば筒内圧センサー）によって筒内圧波形を計測することで、気筒毎に異なるノッキングの状態（強度や頻度）を検出し、それらの検出値に基づいて、空燃比及び点火時期を変更する手段が開示されている。

複数の気筒を備えたガスエンジンにおいて、全気筒に筒内圧センサーを設けて筒内圧波形を検出し、ノッキング限界点火時期を設定する燃焼制御装置は、例えば図８に示す構成が考えられる。図８において、ガスエンジン１００のエンジンブロック１０２に一列に６個のシリンダ１０４ａ〜ｆが設けられている。シリンダ１０４ａ〜ｆには、夫々筒内圧センサー１０６が設けられている。シリンダ１０４ａ〜ｆには、エアクーラ１０８から給気マニホールド１１０を介して給気ａが送られる。シリンダ１０４ａ〜ｆで燃焼した後の排気ｅは、夫々排気マニホールド１１２を介して排気管１１４に集められ、排気管１１４から排出される。

エンジンブロック１０２に設けられたクランク軸に、上死点及び下死点を含むクランク角を検出する回転センサー１１６が設けられている。筒内圧センサー１０６及び回転センサー１１６から、クランク角に対応した筒内圧波形Ｐが検出される。サイクル毎の筒内圧の変化により、ノッキング発生頻度とノッキング限界点火時期が導出される。全気筒で同一点火時期にすると、ノッキングの発生状況が気筒毎にばらばらとなる。全気筒の筒内圧を検出し、ノッキングが発生しやすい気筒は点火時期を遅角し、ノッキングが発生しにくい気筒は点火時期を進角することで、全気筒のノッキングを抑制しつつ、点火時期を最大限進角する。

特開２０１１−１２５６９号公報 特開平１−１００３２８号公報 特開２００２−６１５２４号公報

しかし、筒内圧センサーは高価であり、気筒数が多数ある場合、筒内圧センサーを全気筒に付設すると、高コストになる。また、筒内圧センサーの故障や誤動作の確率も高くなるという問題がある。

本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、複数の気筒を備えたガスエンジンにおいて、簡易かつ低コストな手段で、全気筒のノッキングを抑制しつつ、点火時期を気筒毎に最大限進角することで、ガスエンジンの出力及び熱効率を向上させることを目的とする。

かかる目的を達成するため、本発明のガスエンジンの燃焼制御装置は、複数の気筒を備えたガスエンジンの燃焼制御装置において、複数の気筒の中から選択された代表気筒の筒内圧を検出する筒内圧センサーと、筒内圧センサーで検出された代表気筒の筒内圧波形から、代表気筒のノッキング限界点火時期を算出する第１の算出手段と、筒内圧波形以外の運転状態量、エンジン基本諸元及び補正係数とを含む算式から、代表気筒のノッキング限界点火時期を算出する第２の算出手段と、第１の算出手段で算出された代表気筒のノッキング限界点火時期と、第２の算出手段で算出された代表気筒のノッキング限界点火時期とを比較し、補正係数を求める第３の算出手段と、求めた補正係数と、運転状態量及びエンジン基本諸元とを前記算式に代入し、代表気筒以外の気筒のノッキング限界点火時期を算出する第４の算出手段と、第１の算出手段及び第４の算出手段で算出された全気筒のノッキング限界点火時期に基づいて各気筒のノッキング限界点火時期を設定する点火時期設定手段とを備えていることを特徴とする。

本発明では、全気筒に筒内圧センサーを設ける代わりに、代表気筒を選択し、代表気筒のみに筒内圧センサーを設ける。他の気筒では、筒内圧センサーを設けることなく、他の運転状態量及びエンジン基本諸元からノッキング限界点火時期を算出するので、低コスト化できる。そして、筒内圧センサーで検出した筒内圧波形と、各気筒で検出した運転状態量とから、気筒毎にノッキング限界点火時期を算出できる。そのため、低コストで出力、燃費及び熱効率が良好な運転を実現できる。

前記運転状態量として、各気筒に供給される給気の温度、空気過剰率及びエンジン回転数を選択するとよい。これによって、ガスエンジンに装着するセンサー類を削減でき、低コスト化できる。また、前記エンジン基本諸元として、シリンダボア、ストローク、圧縮比及びコンロッド長を選択するとよい。基本諸元としてこれらのファクタを選択することで、各気筒のノッキング限界点火時期を正確に算出できる。

第４の算出手段において、予め取得したガスエンジンの運転試験データに基づいて、補正係数を気筒毎に修正するようにするとよい。これによって、気筒毎にさらに正確なノッキング限界点火時期を算出できる。

本発明では、代表気筒のノッキング限界点火時期を元に、他の気筒のノッキング限界点火時期を算出している。そのため、最もノッキングが起きやすい気筒を代表気筒に選択し、その気筒のノッキング限界点火時期に基づいて、他の気筒のノッキング限界点火時期を算出することで、ノッキングを確実に抑制できる安全サイドの運転状態から点火時期を進角し、ノッキング限界点火時期に調整することが可能である。

本発明によれば、全気筒に筒内圧センサーを設ける代わりに、筒内圧センサーを代表気筒に１個のみ設けただけの低コストな手段で、代表気筒の筒内圧波形と各気筒の運転状態量及びエンジン基本諸元とから、全気筒のノッキング限界点火時期を気筒毎に求めることができる。そのため、全気筒のノッキングを抑制しつつ、点火時期を最大限進角でき、ガスエンジンの出力及び熱効率を向上できる。

本発明を適用した一実施形態に係るガスエンジンの構成図である。 前記実施形態に係る燃焼制御装置のブロック線図である。 前記実施形態に係る燃焼制御手順のフロー図である。 ガスエンジンにおけるノッキング頻度の気筒間ばらつきを示す線図である。 ガスエンジンにおける点火時期と熱効率との関係を示す線図である。 ガスエンジンにおける点火時期に対する出力及び回転数とノッキング発生限界との関係を示す線図である。 ガスエンジンにおける給気温度とノッキング頻度との関係を示す線図である。 全気筒に筒内圧センサーを設けた場合のガスエンジンの燃焼制御装置（関連技術）の構成図である。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。

本発明をガスエンジンの燃焼制御に適用した一実施形態を図１〜図４に基づいて説明する。図１において、本実施形態に係るガスエンジン１０は、エンジンブロック１２に一列に６個の気筒１４ａ〜ｆが設けられている。各気筒１４ａ〜ｆのうち左端に配置された気筒１４ａを代表気筒に選択している。気筒１４ａには筒内圧センサー１６が設けられている。各気筒１４ａ〜ｆには、エアクーラ１８から給気マニホールド２０を介して給気ａが送られる。各気筒１４ａ〜ｆで燃焼した後の排気ｅは、夫々排気マニホールド２２を介して排気管２４に集合し、排気管２４から排出される。

エンジンブロック１２に設けられたクランク軸（図示省略）に、上死点及び下死点を含むクランク角を検出する回転センサー２６が設けられている。筒内圧センサー１６及び回転センサー２６から、クランク角に対応した筒内圧波形Ｐが検出される。サイクル毎の筒内圧の変化より、ノッキング発生頻度とノッキング限界点火時期が導出される。各気筒１４ａ〜ｆの入口に給気温度センサー２８ａ〜ｆが設けられている。図１に示すように、各気筒１４ａ〜ｆに吸入される給気温度Ｔｓは夫々異なっている。気筒列の両端にある気筒１４ａ及び１４ｆの給気温度Ｔｓが一番高く、中央の気筒１４ｃ及び１４ｄの給気温度Ｔｓが一番低い。

エアクーラ１８や給気マニホールド２０は両端側で、給気が滞留する傾向があるため、壁温が高くなる傾向がある。そのため、エンジンブロック１２の両端に配置された気筒１４ａ及び１４ｆに流入する給気の温度Ｔｓが最も高くなる傾向にある。従って、エンジンブロック１２の両端に配置された気筒でノッキングが起きやすくなる。本実施形態では、左端に配置された気筒１４ａを代表気筒に選択している。

図２にガスエンジン１０の燃焼制御装置３０を示す。図２において、第１算出部３２には、筒内圧センサー１６で検出された代表気筒１４ａの筒内圧波形が入力される。第１算出部３２では、この筒内圧波形から代表気筒１４ａのノッキング限界点火時期を算出する。第２算出部３４では、運転状態量、エンジン基本諸元及び補正係数Ｃを含む次の算式（１）から、代表気筒１４ａのノッキング限界点火時期を算出する。
Ｔｉ＝ｆ（Ｃ、Ｂ、Ｓ、ε、ＣＲ、Ｎｅ、λ、Ｔｓ） （１）
ここで、Ｃは補正係数である。Ｂはシリンダボア、Ｓはストローク、εは圧縮比、ＣＲはコンロッド長であり、これらはエンジン基本諸元である。Ｎｅはエンジン回転数、λは空気過剰率、Ｔｓは給気温度である。これらは運転状態量である。

エンジン回転数Ｎｅは回転センサー２６で検出され、給気温度Ｔｓは、給気温度センサー２８ａ〜ｆで気筒毎に検出される。空気過剰率λは、配置通路に酸素濃度センサーを設け、酸素濃度センサーにより設定値どおりの空気過剰率λになっているかどうか確認するのが望ましい。コンプレッサ前でガス燃料の供給を行う場合は、気筒間ばらつきが生じないので、酸素濃度センサーは排気管２４に１個設ければよい。

第３算出部３６では、第１算出部３２で算出された代表気筒１４ａのノッキング限界点火時期と、第２算出部３４で算出された代表気筒１４ａのノッキング限界点火時期とを比較し、補正係数Ｃを求める。第４算出部３８では、第３算出部３６で求められた補正係数Ｃに基づいて、各気筒毎に運転状態量及びエンジン基本諸元を算式（１）に入力することで、代表気筒１４ａ以外の各気筒のノッキング限界点火時期を算出する。点火時期設定部４０では、算出された各気筒のノッキング限界点火時期に基づいて、点火装置（図示省略）における各気筒のノッキング限界点火時期を設定する。

図３は、制御装置３０によるノッキング限界点火時期設定手順を示すフロー図である。図３において、まず、筒内圧センサー１６で代表気筒１４ａの筒内圧波形を検出する（Ｓ１０）。第１算出部３２で、検出された筒内圧波形から代表気筒１４ａのノッキング限界点火時期Ｔｉａを算出する（Ｓ１２）。一方、前述のように、ガスエンジン１０に付設された各センサーで運転状態量として、エンジン回転数Ｎｅ、空気過剰率λ及び気筒毎の給気温度Ｔｓを選択する（Ｓ１４）。これらの運転状態量及び前記エンジン基本諸元が第２算出部３４に入力される。第２算出部３４では、算式（１）から代表気筒１４ａのノッキング限界点火時期Ｔｉａ’が算出される（Ｓ１６）。

次に、第３算出部３６で、第１算出部３２で算出したノッキング限界点火時期Ｔｉａと、第２算出部３４で算出したノッキング限界点火時期Ｔｉａ’とを比較し、補正係数Ｃを算出する（Ｓ１８）。即ち、算式（１）にノッキング限界点火時期Ｔｉａと、前記運転状態量及びエンジン基本諸元を代入し、補正係数Ｃを求める。次に、求めた補正係数Ｃ及び各気筒の運転状態量及びエンジン基本諸元に基づいて、算式（１）から、各気筒のノッキング限界点火時期Ｔｉｂ〜Ｔｉｆを算出する（Ｓ２０）。なお、ガスエンジン１０の同型の試験機を運転したときの試験データを予め取得しておく。この試験データに基づいて、補正係数Ｃを各気筒毎に修正する。修正した補正係数Ｃに基づいて、各気筒のノッキング限界点火時期Ｔｉｂ〜Ｔｉｆを算出する。

図４は、試験機の試験データに基づいて作成した、ノッキング頻度の気筒間ばらつきを示す線図であり、給気温度を一定としたときのデータである。例えば、給気温度Ｔｓの差によってノッキング頻度の気筒間ばらつきが発生するが、実際には各気筒間で給気温度Ｔｓが同一であっても、各気筒の燃焼室壁面温度等の違いによって、ノッキング頻度の気筒間ばらつきが発生する。そのため、気筒毎に正確なノッキング限界点火時期を算出するためには、気筒毎に補正係数Ｃを修正するとよい。

こうして算出された各気筒１４ａ〜ｆのノッキング限界点火時期に基づいて、点火時期設定部４０で点火装置における各気筒１４ａ〜ｆの点火時期を設定する。こうして、時々刻々代表気筒１４ａの筒内圧波形及びその他の運転状態量を検出しながら、各気筒の点火時期をリアルタイムに変更する。

本実施形態によれば、選択した代表気筒１４ａのみに筒内圧センサー１６を設ければよく、他の気筒１４ｂ〜ｆでは、筒内圧センサーを設けることなく、ノッキング限界点火時期を算出するので、低コスト化できる。そして、筒内圧センサー１６で検出した代表気筒１４ａの筒内圧波形と、各気筒で検出した他の運転状態量及びエンジン基本諸元とから、各気筒毎にノッキング限界点火時期を算出するので、熱効率が良好な運転を実現できる。

また、ガスエンジン１０と同型の試験機から予め取得した運転試験データに基づいて、補正係数Ｃを気筒毎に修正するようにしているので、各気筒の正確なノッキング限界点火時期を算出できる。また、代表気筒として、給気温度Ｔｓが最も高く、最もノッキングが起きやすい気筒１４ａを選択し、気筒１４ａのノッキング限界点火時期に基づいて、他の気筒のノッキング限界点火時期を算出するようにしているので、全気筒において、安全サイドの運転状態から点火時期を進角し、ノッキング限界点火時期まで調整することが可能であり、ノッキングを確実に抑制できる。

本発明によれば、簡易かつ低コストな手段で、全気筒のノッキングを抑制しつつ、点火時期を最大限進角でき、ガスエンジンの出力及び熱効率を向上できる。

１０，１００ ガスエンジン
１２，１０２ エンジンブロック
１４ａ〜ｆ、１０４ａ〜ｆ 気筒
１６，１０６ 筒内圧センサー
１８，１０８ エアクーラ
２０，１１０ 給気マニホールド
２２，１１２ 排気マニホールド
２４，１１４ 排気管
２６，１１６ 回転センサー
２８ａ〜ｆ 給気温度センサー
３０ 燃焼制御装置
３２ 第１算出部
３４ 第２算出部
３６ 第３算出部
３８ 第４算出部
４０ 点火時期設定部
Ｃ 補正係数
Ｎｅ エンジン回転数
Ｔｉ，Ｔｉａ、Ｔｉａ’、Ｔｉｂ〜Ｔｉｆ ノッキング限界点火時期
Ｔｓ 給気温度
λ 空気過剰率

Claims (4)

1. 複数の気筒を備えたガスエンジンの燃焼制御装置において、
   前記複数の気筒の中から選択された代表気筒の筒内圧を検出する筒内圧センサーと、
   前記筒内圧センサーで検出された代表気筒の筒内圧波形から、代表気筒のノッキング限界点火時期を算出する第１の算出手段と、
   筒内圧波形以外の運転状態量、エンジン基本諸元及び補正係数とを含む算式から、代表気筒のノッキング限界点火時期を算出する第２の算出手段と、
   前記第１の算出手段で算出された代表気筒のノッキング限界点火時期と、前記第２の算出手段で算出された代表気筒のノッキング限界点火時期とを比較し、前記補正係数を求める第３の算出手段と、
   求めた補正係数と、前記運転状態量及びエンジン基本諸元とを前記算式に代入し、代表気筒以外の気筒のノッキング限界点火時期を算出する第４の算出手段と、
   前記第１の算出手段及び第４の算出手段で算出された全気筒のノッキング限界点火時期
   に基づいて各気筒のノッキング限界点火時期を設定する点火時期設定手段とを備えていることを特徴とするガスエンジンの燃焼制御装置。
2. 前記運転状態量が各気筒に供給される給気の温度、空気過剰率及びエンジン回転数であり、前記エンジン基本諸元がシリンダボア、ストローク、圧縮比及びコンロッド長であることを特徴とする請求項１に記載のガスエンジンの燃焼制御装置。
3. 前記第４の算出手段において、予め取得したガスエンジンの運転試験データに基づいて、前記補正係数を気筒毎に修正するようにしたことを特徴とする請求項１又は２に記載のガスエンジンの燃焼制御装置。
4. 各気筒のうち最もノッキングが起きやすい気筒を代表気筒に選択することを特徴とする請求項１に記載のガスエンジンの燃焼制御装置。

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