JP7457663B2 - エンジン制御装置、エンジン制御方法およびプログラム - Google Patents

エンジン制御装置、エンジン制御方法およびプログラム Download PDF

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Description

本開示は、エンジン制御装置、エンジン制御方法およびプログラムに関する。
4サイクル・ガスエンジン、4サイクル・ガソリンエンジン等の4サイクルエンジンでは、体積効率が低下する経年劣化が発生する。体積効率は4サイクルエンジンの吸入作用を評価する値である。体積効率が低下すると、気筒内に供給可能な空気量が減少するため、空燃比がリッチになる。これにより排気温度が上昇し、NOx(窒素酸化物)排出量の増加につながる。NOx排出量は国や自治体で規制値が設けられており、規制値内の排出量で運転する必要がある。
特許文献1に記載されているガスエンジン制御装置は、経年劣化に伴う吸気流量の低下に対して、燃料ガス供給量調整弁の開度を所定の開度補正値を用いて補正する。このガスエンジン制御装置は、燃焼サイクルにおける各気筒の燃焼行程での瞬時エンジン回転数と1燃焼サイクルの平均エンジン回転数とのエンジン回転数差に基づく燃焼変動値がエンジン負荷に基づく目標燃焼変動値に収束するように燃料ガス供給量調整手段を調整する開度調整手段を有し、所定時期において、目標燃焼変動値に基づいて演算された燃料ガス供給量調整弁の開度を強制的に所定量増加または減少させ、目標燃焼変動値への収束過程における開度の極大値および極小値に基づいて、開度補正値を算出する。
特許第5033029号公報
上述したように特許文献1に記載のガスエンジン制御装置では、開度補正値を算出する際に、目標燃焼変動値に基づいて演算された燃料ガス供給量調整弁の開度を強制的に所定量増加または減少させなければならない。そのため、燃料ガス供給量調整弁の開度を強制的に所定量増加または減少させるような運転を行うことが難しい環境では使用することが困難となる場合があるという課題があった。
本開示は、上記課題を解決するためになされたものであって、エンジン制御における補正値を容易に算出することができるエンジン制御装置、エンジン制御方法およびプログラムを提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本開示に係るエンジン制御装置は、エンジンの混合気の流量を調整する弁の開度を制御する際に、排気温度の基準値と現在値との偏差である排温偏差に基づいて前記開度を補正する。
本開示に係るエンジン制御方法は、エンジンの混合気の流量を調整する弁の開度を制御する際に、排気温度の基準値と現在値との偏差である排温偏差に基づいて前記開度を補正するステップを含む。
本開示に係るプログラムは、エンジンの混合気の流量を調整する弁の開度を制御する際に、排気温度の基準値と現在値との偏差である排温偏差に基づいて前記開度を補正するステップをコンピュータに実行させる。
本開示のエンジン制御装置、エンジン制御方法およびプログラムによれば、エンジン制御における補正値を容易に算出することができる。
本開示の実施形態に係るエンジンを示す概略構成図である。 本開示の第1実施形態に係るガスエンジン制御装置の構成例を示すブロック図である。 本開示の第1実施形態に係るガスエンジン制御装置の動作例を示すフローチャートである。 本開示の第1実施形態に係るガスエンジン制御装置の動作例のシミュレーション結果を示す特性図である。 本開示の第2実施形態に係るガスエンジン制御装置の構成例を示すブロック図である。 本開示の第2実施形態に係るガスエンジン制御装置の動作例を示すフローチャートである。 本開示の第2実施形態に係るガスエンジン制御装置の動作例のシミュレーション結果を示す特性図である。 本開示の第3実施形態に係るガスエンジン制御装置の構成例を示すブロック図である。 本開示の第3実施形態に係るガスエンジン制御装置の動作例を示すフローチャートである。 本開示の第3実施形態に係るガスエンジン制御装置の動作例のシミュレーション結果を示す特性図である。 少なくとも1つの実施形態に係るコンピュータの構成を示す概略ブロック図である。
<第1実施形態>
以下、本開示の第1実施形態に係るガスエンジン制御装置(エンジン制御装置)、ガスエンジン制御方法(エンジン制御方法)およびプログラムについて、図1~図4を参照して説明する。なお、各図において同一または対応する構成には同一の符号を用いて説明を適宜省略する。
(エンジンの構成)
図1は、本開示の少なくとも一実施形態に係るエンジン1の概略構成図である。エンジン1は、燃料として燃料ガスを使用するガスエンジンであり、例えば、発電プラント等において発電を行うための発電機(不図示)に対して動力を出力する発電用エンジンである。また、図1に示すエンジン1は、 燃料ガスを吸気(空気)と混合することで生成した混合気を燃焼することにより動力を出力可能なガスエンジンである。エンジン1は、燃焼室8より上流側においてガス流量調整弁18から供給される燃料ガスと、外部から取り込まれる吸気とを予混合することで混合気を生成し、所定の長さを有する吸気配管18を介して混合気を燃焼室8に吸気する、いわゆる予混合方式の内燃機関である。
エンジン1を発電用エンジンとして用いる場合、エンジン1は、例えば発電プラントにおける発電機の動力源として用いられ、エンジン1に対して主に燃焼制御と空燃比制御が行われる。燃焼制御では、エンジン1の出力回転数および負荷を一定に保持するために出力回転数または負荷を制御量、燃料ガスの供給量を操作量とするフィードバック制御が行われる。一方、空燃比制御では、燃焼室8における空燃比を一定に保持するために、間接的に空燃比を制御量とし、直接的にはインテークマニホルド11の圧力や混合気流量を制御量とするフィードバック制御を行うことで、インテークマニホルド11の手前に配置されたスロットル弁(スロットルバルブ)14の開度や排気バイパス通路25に設けられた排気バイパス弁26の開度が操作量として調整される。
図1に示すエンジン1は少なくとも一つの気筒10を有する。本実施形態ではエンジン1は複数の気筒10を有するが、図1では理解しやすいように一つの気筒10のみが代表的に示されている。気筒10は、シリンダブロック13と一体的に形成されたシリンダ3と、シリンダ内を往復動可能に構成されたピストン2とを含む。エンジン1は、内部でピストン2が摺動するシリンダ3に、吸気バルブ4で開閉される吸気ポート5と、排気バルブ6で開閉される排気ポート7とが繋がっている。シリンダ3とピストン2との間には燃焼室8が構成され、この燃焼室8に点火プラグ9が設けられている。
吸気ポート5にはインテークマニホルド11が接続され、インテークマニホルド11の上端にはスロットル弁14が接続され、さらにその上流の吸気配管16に過給機12のコンプレッサ12cが接続されている。インテークマニホルド11の中間部にはインタークーラ15が接続されている。また、コンプレッサ12cに接続された吸気管17の中間部に接続されたミキサ56には、ガス燃料を供給するガス流量調整弁18が接続され、上流端にエアクリーナ19が接続されている。また、吸気配管16(あるいはインテークマニホルド11)には、吸気配管16内を流れる混合気の圧力および温度(インテークマニホルド11の圧力および温度)をそれぞれ計測するインテークマニホルド圧力センサ60とインテークマニホルド温度センサ62が設置されている。インテークマニホルド圧力センサ60とインテークマニホルド温度センサ62の検出値は、電気的信号としてガスエンジン制御装置100に入力される。
ミキサ56では、外部から取り込まれる吸気(外気)と、燃料ガスとが混合されることにより、混合気が生成される。ミキサ56で生成された混合気は、吸気配管16を介して吸気ポート5に供給される。スロットル弁14の開度を制御することで、吸気ポート5に供給される混合気の流量が調節される。
一方、排気ポート7にはエキゾーストマニホルド22が接続され、その下流端に過給機12のタービン12tが接続されている。過給機12のコンプレッサ12cとタービン12tとは回転軸12sを介して一体に回転する。タービン12tには排気管24が接続され、この排気管24とエキゾーストマニホルド22とを結ぶ排気バイパス通路25に排気バイパス弁26が設けられている。エキゾーストマニホルド22には、エキゾーストマニホルド22内を流れる排気の温度を計測する排気温度センサ64が設置されている。排気温度センサ64の検出値は、電気的信号としてガスエンジン制御装置100に入力される。なお、排気温度センサ64は、気筒10毎に設けられている。
またシリンダブロック13には、副燃焼室46を有する副室口金48が設けられている。副室口金48の先端部周囲には燃焼室8内に火炎を噴射するための噴口(不図示)が複数形成されている。副燃焼室46には、副燃料ガス供給ライン52を介して燃料ガスが供給され、副燃焼室46内に設けられた点火プラグ9によって火炎が形成される。副燃焼室46で形成された火炎は噴口から燃焼室8にトーチ状に吹き出されることで、燃焼室8の広範囲において効率的な燃焼が行われる。 なお、副燃料ガス供給ライン52には、副燃焼室46に対する燃料ガスの供給量を調整するための調整バルブ54が設けられている。
このように構成されたエンジン1において、エアクリーナ19から吸入された空気は、ミキサ56においてガス流量調整弁18を介してガス燃料を噴射されて混合気(燃料混合気)とされ、過給機12のコンプレッサ12cにより圧縮され、スロットル弁14とインテークマニホルド11を経てシリンダ3に過給されてエンジン1を作動させる。混合気は、インタークーラ15により圧縮熱を冷却され、スロットル弁14の弁開度を調節することにより流量を調整される。
また、シリンダ3から排出された排ガスは、エキゾーストマニホルド22を経て過給機12のタービン12tに供給され、タービン12tを高速回転させる。この回転は回転軸
12sを介してコンプレッサ12cを高速で駆動し、新気の圧縮および過給を継続させる。また、排気バイパス通路25に設けられた排気バイパス弁26の弁開度を調節することで、タービン12tに流れる排ガス流量を調整して、コンプレッサ12cにおける空気圧縮量を調整する。したがって、排気バイパス弁26の開度を制御することで、吸気ポート5に供給される混合気の流量を調節することができる。
ガスエンジン制御装置(エンジン制御装置)100は、ガス流量調整弁18、スロットル弁14、排気バイパス弁26、インテークマニホルド圧力センサ60、インテークマニホルド温度センサ62、排気温度センサ64、図示していないクランク軸に接続されているエンジン回転数センサ66等に接続され、各センサの検出値を取得するとともに、スロットル弁14、排気バイパス弁26等の制御を行う。
(ガスエンジン制御装置の構成)
ガスエンジン制御装置100は、内部にコンピュータと、そのコンピュータの周辺回路や周辺装置とを備え、コンピュータ、周辺回路や周辺装置等のハードウェアと、コンピュータが実行するプログラム等のソフトウェアとの組み合わせから構成される機能的構成として、図2に示す排温補正制御部110と、空燃比制御部120とを備える。また、排温補正制御部110は、排温計算値算出部111と、排温平均処理部112と、加算器113と、体積効率劣化度算出部114と、劣化度保持判定部115と、インマニ圧目標補正値算出部116とを含む。また、空燃比制御部120は、加算器121と、MAPフィードバック制御部122と、補正空燃比目標値算出部123と、混合気流量目標値演算部124と、混合気流量演算部125と、加算器126と、弁開度指令値算出部127とを含む。ここで、図2は、本開示の第1実施形態に係るガスエンジン制御装置100の構成例を示すブロック図である。なお、本実施形態に係るガスエンジン制御装置100は、燃焼制御と空燃比制御の両方を行うことができるが、図2では空燃比制御に係る機能的構成のみを示している。
なお、本実施形態の空燃比制御では、燃料LHV(Lower Heating Value)の変化による理論空燃比変化の影響を考慮して、インテークマニホルド11の圧力(以下、インマニ圧(MAP)ともいう)の目標値を決定し、インマニ圧(MAP)をフィードバック制御(MAPフィードバック制御)することで、空燃比を目標値に制御している。
排温計算値算出部111は、エンジン1の制御値から、基準とする体積効率のときの排気温度の計算値(基準値)を算出する。排温計算値Tex_calは以下の式で表される。
Figure 0007457663000001
ここで、Cpsは給気定圧比熱、Cpexは排気定圧比熱、MATはインマニ温度(インテークマニホルド11の温度)、Qexは総発熱量、Gmixは混合気流量である。また、総発熱量Qexは以下2つの式の内1つを用いる。
Figure 0007457663000002
Figure 0007457663000003
ここで、LHVは燃料の低位発熱量、ηthは発電効率、ηhlは熱損失、Ggasは燃料ガス流量である。
なお、(1)式はLHV変動や負荷変動による影響を受けにくいため、本制御システムに適している。
排温平均処理部112は、各気筒10の各排気温度センサ64からの排温取得値から排温平均値Tex_aveを求める。排気温度センサ取得値は気筒10毎にばらつきがある。さらに、失火が起こると他の気筒との差が著しく大きくなり適切な平均値を算出できないため、センサ取得値の最大値と最小値を省いた平均値を求める。この平均値が排気温度の現在値である。
加算器113は、排温計算値Tex_calと、排温平均値Tex_aveとの偏差ΔTex(排温偏差という。)を算出する。
体積効率劣化度算出部114は、排温偏差ΔTexとエンジン1の負荷とに基づいて体積効率劣化度を算出する。体積効率劣化度は例えば負荷と排温偏差ΔTexを入力としたマップで算出することができる。体積効率劣化度は、劣化がないときを例えば1(=100%)として劣化の度合い(割合)を表す値(例えば0~1(0%~100%)の値)である。
本実施形態のエンジン制御では、燃焼制御において、エンジン1の出力回転数および負荷を一定に保持するために出力回転数または負荷を制御量、燃料ガスの供給量を操作量とするフィードバック制御が行われる。この場合、体積効率が低下したとき、気筒内混合気量が低下するので、燃焼制御において出力維持のため燃料が過剰供給され、排気温度が上昇することになる。このため、本実施形態のエンジン制御では、排温偏差ΔTexと体積効率劣化度との間には一定の相関が生じることになる。ただし、例えば、同じ体積効率劣化度であっても、負荷100%のときΔTexが20~30℃程度、負荷50~70%のときΔTexが10~20℃程度といったようなばらつきがあり、これを考慮した体積効率劣化度の算出が必要なため、本実施形態では、排温偏差ΔTexとエンジン1の負荷とに基づいて体積効率劣化度を算出している。
劣化度保持判定部115は、算出した劣化度が負荷投入や負荷遮断などの過渡状態やセンサ異常等の異常状態では、その値を保持するようにし、体積効率劣化度の安定化を図っている。劣化度保持判定部115は、過渡状態であるか否かを示す信号、異常状態であるか否かを示す信号等を入力し、過渡状態または異常状態でない場合、入力した排温偏差ΔTexをそのまま出力し、過渡状態または異常状態である場合、過渡状態または異常状態となる前に入力した排温偏差ΔTexの出力を保持する。なお、過渡状態とは、所定値以上の負荷増加が発生した場合と、所定値以上の負荷減少が発生した場合を含む。また、異常状態とは、例えば、排気温度センサ64や負荷計測のためのセンサの検出値に異常が発生している場合を含む。
インマニ圧目標補正値算出部116は、MAPフィードバック制御における目標値に対する体積効率劣化度に応じた補正値を算出する。インマニ圧目標補正値算出部116は、体積効率劣化度に応じてインマニ圧の目標値の補正値ΔMAP(インマニ圧目標補正値)をマップから算出して出力する。体積効率劣化度に対して適切なインマニ圧目標補正値ΔMAPの値を定めるマップは、シミュレーションや実測に基づいて決定することができる。
一方、空燃比制御部120において、加算器121は、インマニ圧(MAP)の目標値MAP_refに、インマニ圧目標補正値ΔMAPを加算して補正するともに、インマニ圧(MAP)の計測値(=現在値)を減算し、「目標値MAP_ref+インマニ圧目標補正値ΔMAP」と計測値MAP(=インマニ圧現在値)との偏差(=インマニ圧偏差)を算出して出力する。
MAPフィードバック制御部122は、インマニ圧の目標値MAP_refをインマニ圧目標補正値ΔMAPで補正した値と、インマニ圧の現在値MAPとの偏差であるインマニ圧偏差に基づくフィードバック制御の操作量として、混合気の空燃比の目標値の補正値である空燃比目標補正値Δλstを演算して出力する。MAPフィードバック制御部122における制御動作に限定はないが、例えばPI(比例積分)動作等とすることができる。MAPフィードバック制御部122は、インマニ圧偏差がゼロに近づくように空燃比目標補正値Δλstを変化させる。空燃比目標補正値Δλstは、体積効率劣化度に応じて、インマニ圧の現在値MAPを、インマニ圧の目標値MAP_refに合わせ込むための補正値である。
補正空燃比目標値算出部123は、空燃比目標補正値Δλstと、理論空燃比(あるいは目標空燃比)λstを入力し、理論空燃比(あるいは目標空燃比)λstを空燃比目標補正値Δλstで補正した値である補正空燃比目標値を出力する。補正空燃比目標値算出部123は、例えば、空燃比目標補正値Δλstと理論空燃比(あるいは目標空燃比)λstをパラメータとして補正空燃比目標値を求めるマップや計算式を用いて、補正空燃比目標値を算出する。これらのマップや計算式は、シミュレーションや実測に基づいて決定することができる。
混合気流量目標値演算部124は、空燃比目標補正値Δλstで補正した理論空燃比(あるいは目標空燃比)λst(=補正空燃比目標値)に基づいて、混合気流量目標値Qmix_refを演算する。混合気流量目標値Qmix_refは、空燃比目標補正値Δλstで補正した理論空燃比(あるいは目標空燃比)λstを得るための混合気流量の目標値である。混合気流量目標値演算部124は、エンジン回転数、インマニ圧MAP、インマニ温度MAT等を変数とし入力するとともに、エンジン総排気量、大気圧等を定数として入力し、混合気流量目標値Qmix_refを演算する。
また、混合気流量演算部125は、現在の混合気流量Qmixを、下記式を用いて演算する。
Figure 0007457663000004
ここで、Qmix:混合気流量[L/sec]、Ne:エンジン回転数[min-1]、V:エンジン総排気量[L]、ηv:基準の体積効率[-]、MAP:インマニ圧[Pa]、MAT:インマニ温度[K]、Tk:絶対温度[K]、Patm:大気圧[Pa]である。
加算器126は、混合気流量目標値Qmix_refから混合気流量Qmixを減算し、混合気流量目標値Qmix_refと混合気流量Qmixとの偏差(混合気流量偏差)を算出する。
弁開度指令値算出部127は、混合気流量目標値Qmix_refと、混合気の流量の現在値(Qmix)との偏差(混合気流量偏差)に基づいてスロットル弁14や排気バイパス弁26(両者を総称する場合、混合気の流量を調整する弁という)の開度指令値(弁開度指令値)を算出する。弁開度指令値算出部127は、例えば、スロットル弁14の弁開度指令値と排気バイパス弁26の弁開度指令値のいずれか一方を算出して、出力するものであってもよいし、両方を算出して、出力するものであってもよいし、条件に応じて選択的に一方を算出して、出力するものであってもよい。
(ガスエンジン制御装置の動作例)
図2に示すガスエンジン制御装置100による動作例について図3を参照して説明する。図3は、本開示の第1実施形態に係るガスエンジン制御装置の動作例を示すフローチャートである。図3に示す処理は、所定の周期で繰り返し実行される。
図3に示す処理が開始されると、まず、排温計算値算出部111が、排温計算値Tex_calを演算する(ステップS11)。次に、排温平均処理部112が、排温平均処理を実行し、排温平均値Tex_aveを算出する(ステップS12)。次に、加算器113が、排温計算値Tex_calと排温平均値Tex_aveとの排温偏差ΔTexを算出する(ステップS13)。次に、体積効率劣化度算出部114が、体積効率劣化度を算出する(ステップS14)。次に、劣化度保持判定部115が、劣化度を保持するか否かを判定し(ステップS15)、保持する場合(ステップS15で「保持」の場合)体積効率劣化度を変動等の前の値に保持し(ステップS16)、保持しない場合(ステップS15で「更新」の場合)体積効率劣化度をステップS14で算出された値で更新する(ステップS17)。次に、インマニ圧目標補正値算出部116が、インマニ目標補正値ΔMAPを算出する(ステップS18)。
次に、加算器121が、インマニ圧偏差を算出する(ステップS19)。次に、MAPフィードバック制御部122が、空燃比目標補正値Δλstを算出する(ステップS20)。次に、補正空燃比目標値算出部123が理論空燃比(あるいは目標空燃比)λstを空燃比目標補正値Δλstに基づいて補正した値に基づいて、混合気流量目標値演算部124が混合気流量目標値Qmix_refを演算する(ステップS21)。次に、混合気流量演算部125が、混合気流量Qmixを演算する(ステップS22)。次に、加算器126が、混合気流量偏差を算出する(ステップS23)。次に、弁開度指令値算出部127が、弁開度指令値を算出し、スロットル弁14や排気バイパス弁26へ出力し(ステップS24)、図3に示す処理を終了する。
以上の処理では、体積効率劣化度が大きくなった場合に、インマニ圧(MAP)の目標値MAP_refに、インマニ圧目標補正値ΔMAPを加算して補正することで、目標MAPを増加させることで、例えばスロットル弁14を制御する場合、スロットル開度が開き側に動作するので、空気量を増加させることができる。体積効率低下時には、本実施形態による排温補正制御がない場合、空燃比λがリッチになるのを、本実施形態では、リーンに補正し、NOxの排出量を抑制することができる。
(本実施形態による作用・効果)
本実施形態によれば、体積効率の低下を排温センサ取得値と計算値の偏差から検出することができる。また、本実施形態によれば、劣化前の排気温度を目標値(基準値)としてフィードバック制御を行い、供給空気量の補正制御を行うことができる。また、体積効率低下時において、空気量を増加させる動作を行うことで空燃比λリーンに空燃比制御を行い、NOxの排出を抑制することができる。また、本実施形態によれば、体積効率が劣化して排温が上昇した場合にインマニ圧目標値を補正するので、排温の監視により劣化検知、劣化補正が可能となる。
また、本実施形態では、通常の制御においてエンジン制御における補正値を算出することができるので、強制的に操作量を増加減する等の制約がなく、エンジン制御における補正値を容易に算出することができる。
(シミュレーション結果)
図4は、本開示の第1実施形態に係るガスエンジン制御装置の動作例のシミュレーション結果を示す特性図である。横軸は体積効率劣化度、縦軸は空燃比λである。シミュレーション結果によれば、本実施形態による排温補正制御が無い場合、体積効率の劣化に対して、空燃比λがリッチになってしまっていたが、本実施形態による排温補正制御を組み込むことで、空燃比λをリーンに補正することができることが確認された。すなわち、このシミュレーション結果から、本実施形態によるNOx排出抑制効果を確認することができた。
<第2実施形態>
次に、本開示の第2実施形態に係るガスエンジン制御装置(エンジン制御装置)、ガスエンジン制御方法(エンジン制御方法)およびプログラムについて、図5~図7を参照して説明する。図5は、本開示の第2実施形態に係るガスエンジン制御装置の構成例を示すブロック図である。図6は、本開示の第2実施形態に係るガスエンジン制御装置の動作例を示すフローチャートである。図7は、本開示の第2実施形態に係るガスエンジン制御装置の動作例のシミュレーション結果を示す特性図である。
図5に示す第2実施形態のガスエンジン制御装置100aは、図1および図2を参照して説明した第1実施形態のガスエンジン制御装置100と比較して以下の点が異なる。すなわち、図2に示す排温補正制御部110に対応する図5に示す排温補正制御部110aは、図2に示す排温補正制御部110と比較して、劣化度保持判定部115が出力した体積効率劣化度が、図2に示す空燃比制御部120に対応する図5に示す空燃比制御部120aに対して出力される点が異なる。また、図5に示す空燃比制御部120aは、図2に示す空燃比制御部120と比較して、新たに体積効率補正値算出部128を含む点と、図2に示す混合気流量演算部125に対応する図5に示す混合気流量演算部125aが、第1実施形態と異なる計算式を用いて混合気流量Qmixを演算する点とが異なる。
体積効率補正値算出部128は、体積効率劣化度に基づいて体積効率補正値Δηvを算出する。ここで、体積効率補正値算出部128は、インマニ圧目標補正値算出部116が体積効率劣化度に応じて算出したインマニ圧目標補正値ΔMAPと同等の補正代となるように、体積効率補正値Δηvを算出する。すなわち、インマニ圧の補正量(インマニ圧目標補正値ΔMAP)と体積効率の補正量(体積効率補正値Δηv)による空気の増加割合はそれぞれ同等にする。例えば、負荷100%時インマニ圧300kPaとした場合、インマニ圧目標の補正値ΔMAPを排温偏差ΔTex10℃毎に6kPa補正すると、これは、空気量を2%増やすことに相当する。この場合、体積効率の補正量Δηvも同様に排温偏差ΔTex10℃毎に空気量が2%増加するように補正値を算出する。このようにすることで本実施形態では2種類の補正を組み合わせることによる安定性の低下を防止している。
また、混合気流量演算部125aは、下式を用いて混合気流量Qmixを演算する。
Figure 0007457663000005
混合気流量演算部125aは、新たに体積効率補正値算出部128が算出した体積効率補正値Δηvを用いることで、混合気流量Qmixを求めている。この場合、混合気流量演算部125aは、体積効率に対する補正値Δηvを第1実施形態の混合気流量Qmix演算値に乗算している。
なお、第2実施形態では、排温計算値算出部111が排温計算値を算出する際に、排気温度計算式中の混合気流量Gmixは体積効率補正を行う前の値を用いることが求められる。第2実施形態では、体積効率劣化度や各補正値は基準の体積効率時における偏差を想定しているため、補正前の混合気流量Gmixから排気温度計算値を求めることが必要である。
第2実施形態では、インマニ圧目標値に対する補正値ΔMAPはインマニ目標値に加算することで、体積効率劣化度に基づく補正が行われるのに加え、体積効率に対する補正値Δηvは混合気流量Qmix演算値に乗算することで体積効率劣化度に基づく補正が行われる。
この構成によれば、目標MAPの増加により例えばスロットル弁14を制御する場合、スロットル開度が開き側に動作する。また、体積効率を補正することで混合気流量空気量が経年劣化を考慮した値になり、混合気流量目標値との偏差が増加する。すなわち、混合気流量演算部125aが体積効率劣化度から算出した体積効率補正値を補正前の混合気流量に対して乗算すると、補正分混合気流量は低下するので、混合気流量偏差が大きくなり、例えばスロットル弁14を制御する場合、スロットルが開き空気量が増大することになる。この結果、空気量が増加し、体積効率低下時で本来なら空燃比λリッチになるのを、リーンに補正し、NOxの排出量を抑制することができる。
なお、図6に示す処理は、図3に示す処理と比較して、次の点が異なる。すなわち、ステップS21の処理の後に新たにステップS21-1の処理が追加されている点が異なる。このステップS21-1では、体積効率補正値算出部128が体積効率補正値Δηvを算出する。また、図3のステップS22に対応するステップS22aでは、混合気流量演算部125aが、体積効率補正値算出部128が算出した体積効率補正値Δηvを用いて混合気流量Qmixを算出する点が異なる。他の処理は互いに同一である。
第2実施形態では、体積効率を補正することで、劣化を考慮した正しい混合気量が算出でき制御の精度を向上する。また、体積効率低下時において、空気量を増加させる動作を行うことで空燃比λリーンに空燃比制御を行い、NOxの排出を抑制することができる。
なお、図7に示すように、第2実施形態のシミュレーション結果によれば、インマニ圧目標値補正と混合気流量演算補正の両方補正した場合の空燃比λリーン効果は第1実施形態と同等の効果になることが確認された。
<第3実施形態>
次に、本開示の第3実施形態に係るガスエンジン制御装置(エンジン制御装置)、ガスエンジン制御方法(エンジン制御方法)およびプログラムについて、図8~図10を参照して説明する。図8は、本開示の第3実施形態に係るガスエンジン制御装置の構成例を示すブロック図である。図9は、本開示の第3実施形態に係るガスエンジン制御装置の動作例を示すフローチャートである。図10は、本開示の第3実施形態に係るガスエンジン制御装置の動作例のシミュレーション結果を示す特性図である。
図8に示す第3実施形態のガスエンジン制御装置100bは、図5等を参照して説明した第2実施形態のガスエンジン制御装置100aと比較して以下の点が異なる。すなわち、図5に示す排温補正制御部110aに対応する図8に示す排温補正制御部110bでは、図5に示すインマニ圧目標補正値算出部116が省略されている点が異なる。また、図5に示す空燃比制御部120aに対応する図8に示す空燃比制御部120bでは、図5に示す加算器121とMAPフィードバック制御部122と補正空燃比目標値算出部123が省略されている点と、混合気流量目標値演算部124が理論空燃比(目標空燃比)λstに基づいて混合気流量目標値Qmix_refを算出している点が異なる。
第3実施形態のガスエンジン制御装置100bでは、MAPフィードバック制御機能を無効にしている。第3実施形態においては、体積効率を補正することで混合気流量空気量が経年劣化を考慮した値になり、混合気流量目標値との偏差が増加する。この結果、例えばスロットル弁14を制御する場合、スロットルが開き側に動作し空気量が増加し、体積効率低下時で本来なら空燃比λリッチになるのをリーンに補正し、NOxの排出量を抑制することができる。
なお、図9に示す処理は、図6に示す処理と比較して、ステップS18~ステップS20の処理が省略されている点が異なる。また、図10に示すように、第3実施形態のシミュレーション結果によれば、MAPフィードバック制御を無効にした場合でも、体積効率の経年劣化に対して体積効率補正を行うことで、空燃比λリーン効果を得られることが確認された。
(その他の実施形態)
以上、本開示の実施の形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施の形態に限られるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
〈コンピュータ構成〉
図11は、少なくとも1つの実施形態に係るコンピュータの構成を示す概略ブロック図である。
コンピュータ90は、プロセッサ91、メインメモリ92、ストレージ93、および、インタフェース94を備える。
上述のガスエンジン制御装置100、100aおよび100bは、コンピュータ90に実装される。そして、上述した各処理部の動作は、プログラムの形式でストレージ93に記憶されている。プロセッサ91は、プログラムをストレージ93から読み出してメインメモリ92に展開し、当該プログラムに従って上記処理を実行する。また、プロセッサ91は、プログラムに従って、上述した各記憶部に対応する記憶領域をメインメモリ92に確保する。
プログラムは、コンピュータ90に発揮させる機能の一部を実現するためのものであってもよい。例えば、プログラムは、ストレージに既に記憶されている他のプログラムとの組み合わせ、または他の装置に実装された他のプログラムとの組み合わせによって機能を発揮させるものであってもよい。なお、他の実施形態においては、コンピュータは、上記構成に加えて、または上記構成に代えてPLD(Programmable Logic Device)などのカスタムLSI(Large Scale Integrated Circuit)を備えてもよい。PLDの例としては、PAL(Programmable Array Logic)、GAL(Generic Array Logic)、CPLD(Complex Programmable Logic Device)、FPGA(Field Programmable Gate Array)等が挙げられる。この場合、プロセッサによって実現される機能の一部または全部が当該集積回路によって実現されてよい。
ストレージ93の例としては、HDD(Hard Disk Drive)、SSD(Solid State Drive)、磁気ディスク、光磁気ディスク、CD-ROM(Compact Disc Read Only Memory)、DVD-ROM(Digital Versatile Disc Read Only Memory)、半導体メモリ等が挙げられる。ストレージ93は、コンピュータ90のバスに直接接続された内部メディアであってもよいし、インタフェース94または通信回線を介してコンピュータ90に接続される外部メディアであってもよい。また、このプログラムが通信回線によってコンピュータ90に配信される場合、配信を受けたコンピュータ90が当該プログラムをメインメモリ92に展開し、上記処理を実行してもよい。少なくとも1つの実施形態において、ストレージ93は、一時的でない有形の記憶媒体である。
<付記>
各実施形態に記載のガスエンジン制御装置100、100aおよび100bは、例えば以下のように把握される。
(1)第1の態様に係るエンジン制御装置(ガスエンジン制御装置100、100aおよび100b)は、エンジン1の混合気の吸入量を調整する弁(スロットル弁14や排気バイパス弁26)の開度を制御する際に、排気温度の基準値Tex_calと現在値Tex_aveとの偏差である排温偏差ΔTexに基づいて前記開度を補正する。この態様および以下の各態様によれば、通常の制御においてエンジン制御における補正値を算出することができるので、強制的に操作量を増加減する等の制約がなく、エンジン制御における補正値を容易に算出することができる。
(2)第2の態様に係るエンジン制御装置(ガスエンジン制御装置100、100aおよび100b)は、(1)のエンジン制御装置であって、混合気の空燃比λを所定値に制御するために弁(スロットル弁14や排気バイパス弁26)の開度を制御する。
(3)第3の態様に係るエンジン制御装置(ガスエンジン制御装置100、100aおよび100b)は、(1)または(2)のエンジン制御装置であって、排温偏差ΔTexとエンジン1の負荷とに基づいて体積効率劣化度を算出する体積効率劣化度算出部114を備え、体積効率劣化度に基づいて弁(スロットル弁14や排気バイパス弁26)の開度を補正する。
(4)第4の態様に係るエンジン制御装置(ガスエンジン制御装置100、100aおよび100b)は、(3)のエンジン制御装置であって、負荷が変動しているか否かを判定し、変動時に体積効率劣化度を変動前の値に保持する劣化度保持判定部115をさらに備える。この態様によれば、体積劣化度を安定的に算出することができる。
(5)第5の態様に係るエンジン制御装置(ガスエンジン制御装置100および100a)は、(3)または(4)のエンジン制御装置であって、体積効率劣化度に基づいてエンジン1のインテークマニホルド11の圧力(以下、インマニ圧という。)の目標値の補正値であるインマニ圧目標補正値ΔMAPを算出するインマニ圧目標補正値算出部116と、インマニ圧の目標値MAP_refをインマニ圧目標補正値ΔMAPで補正した値と、インマニ圧の現在値MAPとの偏差であるインマニ圧偏差に基づくフィードバック制御の操作量として、混合気の空燃比の目標値の補正値である空燃比目標補正値Δλstを演算するインマニ圧フィードバック制御部(MAPフィードバック制御部122)と、空燃比目標補正値で空燃比の目標値を補正した値に基づいて混合気流量目標値Qmix_refを演算する混合気流量目標値演算部124と、混合気流量目標値Qmix_refと、混合気の流量の現在値Qmixとの偏差に基づいて弁(スロットル弁14や排気バイパス弁26)の開度指令値を算出する弁開度指令値算出部127とを備える。
(6)第6の態様に係るエンジン制御装置(ガスエンジン制御装置100a)は、(5)のエンジン制御装置であって、混合気の流量の現在値Qmixが、体積効率劣化度に基づいて補正された値である。
(7)第7の態様に係るエンジン制御装置(ガスエンジン制御装置100aおよび100b)は、(3)または(4)のエンジン制御装置であって、混合気流量目標値Qmix_refを演算する混合気流量目標値演算部124と、混合気流量目標値Qmix_refと、混合気の流量の現在値Qmixを体積効率劣化度に基づいて補正した値との偏差に基づいて弁(スロットル弁14や排気バイパス弁26)の開度指令値を算出する弁開度指令値算出部127とを備える。
1…エンジン、3… シリンダ、10…気筒、11… インテークマニホルド、12…過給機、12c…コンプレッサ、12t…タービン、13…シリンダブロック、14…スロットル弁、22…エキゾーストマニホルド、24…排気管、25…排気バイパス通路、26…排気バイパス弁、60…インテークマニホルド圧力センサ、62…インテークマニホルド温度センサ、64…排気温度センサ、66…エンジン回転数センサ、100…ガスエンジン制御装置(エンジン制御装置)

Claims (8)

  1. エンジンの混合気の流量を調整する弁の開度を制御する際に、排気温度の基準値と現在値との偏差である排温偏差に基づいて前記開度を補正するエンジン制御装置であって、
    前記排温偏差と前記エンジンの負荷とに基づいて体積効率劣化度を算出する体積効率劣化度算出部を備え、
    前記体積効率劣化度に基づいて前記開度を補正する、
    エンジン制御装置。
  2. 前記混合気の空燃比を所定値に制御するために前記弁の開度を制御する
    請求項1に記載のエンジン制御装置。
  3. 前記負荷が変動しているか否かを判定し、変動時に前記体積効率劣化度を変動前の値に保持する劣化度保持判定部を
    さらに備える請求項1または2に記載のエンジン制御装置。
  4. 前記体積効率劣化度に基づいて前記エンジンのインテークマニホルドの圧力(以下、インマニ圧という。)の目標値の補正値であるインマニ圧目標補正値を算出するインマニ圧目標補正値算出部と、
    前記インマニ圧の目標値を前記インマニ圧目標補正値で補正した値と、前記インマニ圧の現在値との偏差であるインマニ圧偏差に基づくフィードバック制御の操作量として、前記混合気の空燃比の目標値の補正値である空燃比目標補正値を演算するインマニ圧フィードバック制御部と、
    前記空燃比目標補正値で前記空燃比の目標値を補正した値に基づいて混合気流量目標値を演算する混合気流量目標値演算部と、
    前記混合気流量目標値と、前記混合気の流量の現在値との偏差に基づいて前記弁の開度指令値を算出する弁開度指令値算出部と
    を備える請求項1から3のいずれか一項に記載のエンジン制御装置。
  5. 前記混合気の流量の現在値が、前記体積効率劣化度に基づいて補正された値である
    請求項4に記載のエンジン制御装置。
  6. 混合気流量目標値を演算する混合気流量目標値演算部と、
    前記混合気流量目標値と、前記混合気の流量の現在値を前記体積効率劣化度に基づいて補正した値との偏差に基づいて前記弁の開度指令値を算出する弁開度指令値算出部と
    を備える請求項1から3のいずれか一項に記載のエンジン制御装置。
  7. エンジンの混合気の流量を調整する弁の開度を制御する際に、排気温度の基準値と現在値との偏差である排温偏差に基づいて前記開度を補正するステップを含むエンジン制御方法であって、
    前記排温偏差と前記エンジンの負荷とに基づいて体積効率劣化度を算出するステップをさらに含み、
    前記開度を補正するステップにおいて、前記体積効率劣化度に基づいて前記開度を補正する、
    エンジン制御方法。
  8. エンジンの混合気の流量を調整する弁の開度を制御する際に、排気温度の基準値と現在値との偏差である排温偏差に基づいて前記開度を補正するステップをコンピュータに実行させるプログラムであって、
    前記排温偏差と前記エンジンの負荷とに基づいて体積効率劣化度を算出するステップをさらに実行させ、
    前記開度を補正するステップにおいて、前記体積効率劣化度に基づいて前記開度を補正する、
    プログラム。
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