(57)【要約】【課題】排気再循環方式を具備したガスエンジンにおいて、燃焼室内の温度上昇の抑制効果により、ノッキング限界（正味平均有効圧の上限値）を上昇させることができるようにし、その分、特に高負荷下での出力増大を図る。【解決手段】排気再循環方式を具備したガスエンジンにおいて、排気再循環系と給気系との合流部にベンチュリーミキサー１１を配設するとともに、該排気再循環系における該合流部上流側にＥＧＲレギュレーター８を介設した。【選択図】図１
2006266271.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気再循環方式を具備したガスエンジンにおいて、排気再循環系と給気系との合流部に、ベンチュリーミキサーを配設するとともに、該排気再循環系における該合流部上流側に、ＥＧＲレギュレーターを介設したことを特徴とする排気再循環方式ガスエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コージェネレーション駆動用等、通常において高負荷運転が長時間行われるようなタイプの排気再循環方式（ＥＧＲ）ガスエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、排気中のＮＯX 低減策として、自動車用ガソリンエンジンや、コージェネレーション用ディーゼルエンジン等においては、排気を低温処理して給気系に再循環する排気再循環方式（ＥＧＲ）を採用したものが公知となっている。しかし、コージェネレーション用ガスエンジンにおいては、従来、ＥＧＲは採用されていない。
【特許文献１】特開平６−２８８３０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
コージェネレーション駆動用等に適用するようなガスエンジンは、排気ＮＯX の低減効果もさることながら、通常時に高負荷運転が長時間なされることから、ノッキング対策として、ＥＧＲを採用することが有効である。
【０００４】
ＥＧＲにより、燃焼室内の温度上昇が抑制されるので、シリンダライナ内壁面付近のエンドガスが自然着火するノッキング限界（正味平均有効圧の上限値）が上昇し、その分、出力向上に繋がるのである。（ディーゼルエンジンの場合は火花点火式ではないため、ノッキングは起こりえない。また、自動車用ガソリンエンジンでは、ノッキング限界に達するほどの高負荷にて運転されることはめったにない。）しかし、ガスエンジンにＥＧＲを採用する場合において、留意しなければならない点は、ＥＧＲにて給気系に導入する排気圧が安定していなければならないことである。
【０００５】
ＥＧＲによるノッキング限界の上昇を想定して、気筒内の正味平均有効圧がＥＧＲを行わない場合のノッキング限界を超えるような高負荷をかけた場合に、急に該排気圧が低減して、給気系への排気の導入がなくなると、急にＥＧＲを行わない場合のノッキング限界値に下がって、エンジンはノッキングを起こす。
【０００６】
また、アイドリング状態（負荷０の状態）からの負荷投入時には、ブースト圧（給気圧）が急には上昇しないまま、負荷の上昇とともに一気に給気ポートにおけるスロットル下流圧力は上昇し、やがて大気圧に達すると、スロットルの上下流における差圧がなくなり、それ以上には負荷がかからなくなる。（それ以上の負荷をかけるには、ブースト圧の上昇を待たなければならない。）この時の負荷値が負荷投入時の上限値である。ところが、ＥＧＲを行うと、アイドリング時にて既にスロットル下流圧力は、ＥＧＲを行わない場合に比して高くなっており、その分、負荷投入時に早くブースト圧に達してしまう。従って、負荷投入時に得られる負荷の上限値は、ＥＧＲを行わない時よりも低減してしまうのである。コージェネレーション運転用として適用するには、負荷０の状態から一気に高負荷の状態に移行する状況があり得るので、このまま適用するのでは、不具合を生じてしまう。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、以上のような課題を解決すべく、次のような手段を用いるものである。
排気再循環方式を具備するガスエンジンにおいて、排気再循環系と給気系との合流部に、ベンチュリーミキサーを配設するとともに、該排気再循環系における該合流部上流側に、ＥＧＲレギュレーターを介設したものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明は以上のように構成したので、次のような効果を奏する。
即ち、請求項１記載の如く、ガスエンジンに排気再循環方式を具備することで、燃焼室内の温度上昇の抑制効果により、ノッキング限界（正味平均有効圧の上限値）を上昇させることができ、その分、特に高負荷下での出力増大を図ることができる。
【０００９】
また、請求項１記載の如く構成することで、排気再循環系の排気が、レギュレーターにて給気系よりも高圧に調圧された状態で、給気系との合流部に配設するベンチュリーミキサーに導入されるものであり、排気再循環系より給気系への排気導入が安定する。従って、排気再循環系からの排気圧が安定しないことによって、急に給気系への排気導入がなくなり、排気再循環を行わない場合のノッキング限界に下がり、突然ノッキングが発生するというような不具合を心配することなく、排気再循環によって高められたノッキング限界を想定して、給気圧を制御し、また、負荷をかけることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の実施の形態を、添付の図面を基に説明する。
図１は本発明のＥＧＲ式ガスエンジンの給排気系とその制御系の略図、図２はＥＧＲ率に対するＮＯX 量及びノッキング限界の相関図、図３は負荷率に対するスロットル下流圧力Ｐ1 ・Ｐ2 及びブースト圧Ｐ3 のグラフと電磁弁開閉タイミングＴを示す図、図４はＥＧＲレギュレーター８を削除した場合におけるＥＧＲ式ガスエンジンの給排気系とその制御系の略図である。
【００１１】
まず、本発明に係るガスエンジンの基本的給排気系構造について、図１より説明する。ガスエンジン１のシリンダヘッド１ａより延設される排気管（排気マニホルド）は、三元触媒２に連結され、三元触媒２を通過してＮＯX 、ＨＣ、ＣＯを除去された排気は、過給機３のタービン部３ａを通過して、排気冷却器（熱交換器）４に導入され、排気放出管５にて放出される。排気は、排気冷却器４の上手側にて三元触媒２を通過するので、排気冷却器４到達時点では、ＮＯX も除去されていて、排気冷却器４の冷却による凝縮によっても、硝酸は発生せず、排気放出管５等の排気系配管の腐蝕を解消するのである。
【００１２】
この排気冷却器４下手側の排気放出管５より分岐してＥＧＲ管６を配管し、給気管１２に連結する。該ＥＧＲ管６において、上流側よりＥＧＲ排気冷却器（熱交換器）７、ＥＧＲレギュレーター８、及びＥＧＲ制御弁９を介設しており、給気管１２との合流部には、ベンチュリーミキサーであるＥＧＲ混合器１１を配設している。給気系において、該ＥＧＲ混合器１１の上流側には空燃混合器１０が配設されており、ここで、空気Ａと燃料ガスＧとが一定比（一定の空気過剰率）にて混合されて原混合気を生成する。この原混合気に、ＥＧＲ混合器１１にて、ＥＧＲ管６からの排気Ｅが加わり、ＥＧＲ混合気となって、過給機３のブロア部３ｂより送出され、給気冷却器（インタークーラー）１３を経て、スロットル１４にて供給量を調整され、シリンダヘッド１ａの給気ポートに至る。出力調整、即ちブースト圧（給気圧）調整は、スロットル１４の開度調整によるものであって、スロットル１４は電子ガバナ１５にて自動開度制御される。
【００１３】
図１の給排気系における制御系について説明する。コントローラーＣへの入力手段として、スロットル１４下流の給気マニホルドに給気圧センサＳ１、エンジン１のクランク軸に回転数センサＳ２、排気管における三元触媒２上流側には第一排気センサＳ３、そして排気放出管５に第二排気センサＳ４を設けている。第一排気センサＳ３、第二排気センサＳ４は、排気中の酸素濃度の検出センサであり、両センサＳ３・Ｓ４の検出値の比較により、三元触媒２の効能を測定して、触媒交換時期確認の用に当てる。また、空燃混合器１０への燃料ガス供給管１０ａには、燃料ガスＧの供給量検出センサＳ５と、空燃混合器１０への燃料ガスＧの供給量を調整するための空燃比制御弁１６が配設されており、これらの入力に基づき、電子ガバナ１５、空燃比制御弁１６、及びＥＧＲ管６の開閉弁であるＥＧＲ制御弁９を制御するのである。
【００１４】
ここで、ＥＧＲ（排気再循環方式）の具備による出力向上効果について、図２より説明する。空燃比（空気過剰率）が一定の場合には、燃焼室内の温度は、正味平均有効圧の上昇に伴って上昇する。ノッキング要因となる燃焼室におけるシリンダライナ付近のエンドガスの自然着火は、燃焼室内（特にシリンダライナ内壁付近）の温度が一定に達した時に発生しやすくなる。この温度に達する時の正味平均有効圧がノッキング限界であり、即ち、正味平均有効圧の上限値である。ところで、ＥＧＲ管６より給気管１２に導入される排気Ｅは、燃焼に資する酸素Ｏ2 は含まれていない状態（殆どが窒素Ｎ2 と二酸化炭素ＣＯ2 ）なので、気筒内での燃焼に際しては、冷却要素となるものである。同じ正味平均有効圧による給気下で、ＥＧＲ混合気を給気した場合は、原混合気のみを給気した場合に比べて、燃焼時における燃焼室内の温度が低い。従って、ＥＧＲ混合気を給気する場合には、原混合気を給気する場合に比べ、正味平均有効圧の上限値、即ちノッキング限界を高めることができ、その分だけ出力向上が実現できる。また、勿論、燃焼室内の温度上昇を抑止すれば、燃焼によるＮＯX 発生も抑えることができ、排気中のＮＯX を低減できる。図２は、ＥＧＲ率（原混合気に対するＥＧＲ排気の混合比率）に対するノッキング限界Ｘ及び排気中ＮＯX 量Ｙの相関を示すものであって、ＥＧＲ率を高めるほど、ノッキング限界Ｘが上昇し、また、排気中ＮＯX 量Ｙが低減することが判る。
【００１５】
しかし、このようなＥＧＲの効果も、ＥＧＲ管６からＥＧＲ混合器１１への排気Ｅの供給圧が安定していなければならない。ベンチュリーミキサーであるＥＧＲ混合器１１は、その上流側が正圧でなければ有効に機能しないのである。ＥＧＲ運転をしながら、ＥＧＲなしでのノッキング限界以上に高負荷をかけていた場合に、急にＥＧＲ管６からの排気Ｅの供給が滞ると、たちまちノッキング限界はもとにもどって、気筒内の平均有効圧は、その上限値であるノッキング限界を超え、ノッキングが発生することとなる。図１において、前記の如くＥＧＲ管６にＥＧＲレギュレーター８を介設しているのは、ＥＧＲ管６からＥＧＲ混合器１１に、ＥＧＲレギュレーター８にて調圧した排気Ｅを安定供給するためである。
【００１６】
次に、図３より、エンジン負荷に基づきＥＧＲ作動時期を制御するシステムを説明する。図３のグラフは、横軸に負荷率Ｗ（％）、縦軸に圧力Ｐを取り、過給機３のタービン部３ａに排気が充分に供給されて、過給機３が有効に作動する状態であって、ブースト圧Ｐ3 （給気圧）が、作動下限圧である大気圧Ｐ0 まで立ち上がった状態（アイドリング状態）であることを前提とする。スロットル下流圧力（給気圧）は、給気ポートの給気圧センサＳ１にて検出される圧力値であって、ＥＧＲ率０％、即ち、原混合気のみを給気とする場合の圧力値Ｐ1 と、一定のＥＧＲ率（例えば３０％）にてＥＧＲ混合気を給気する場合の圧力値Ｐ2 とを示している。
【００１７】
負荷率Ｗは、負荷の定格上限値に対する実際の負荷の比率であって、前記回転数センサＳ２の検出による実際の回転数と、スロットル１４の開度調整に基づく設定回転数との比較より求められる。アイドリング状態より負荷を投入した場合に、スロットル下流圧力は急速に上昇するものの、ブースト圧Ｐ3 は、過給機３の立ち上がりが遅れるため、急には上がらず略大気圧Ｐ0 のままである。
【００１８】
ＥＧＲを行わない場合（ＥＧＲ率０％）は、初期（負荷率０の時）のスロットル下流圧力Ｐ1 （＜Ｐ0 ）が低い分、限界負荷率はＷ1 （例えば５０％）で、充分な負荷投入が可能である。しかし、ＥＧＲを行った場合（例えばＥＧＲ率３０％）には、初期のスロットル下流圧力Ｐ2 （＜Ｐ0 ）が高くなる分だけ、負荷投入時にスロットル下流圧力が早く大気圧Ｐ0 に達するので、限界負荷率Ｗ2 （例えば２０％）は小さくなり（Ｗ2 ＜Ｗ1 ）、充分な負荷投入ができなくなる（（Ｗ1 −Ｗ2 ）だけ投入できる負荷率が低減する。）。そこで、負荷投入時における限界負荷率をＷ1 に高めるべく、低負荷時（負荷投入時）にはＥＧＲを行わないようにする。即ち、図３の如く、負荷投入時における設定負荷率を負荷率Ｗ1 まで高められるように、ＥＧＲ制御弁９の開弁時期Ｔを、負荷率がＷ1 以上の時とし、それより負荷率が小さい時には、ＥＧＲ制御弁９を閉弁して、ＥＧＲ管６より給気管１２への排気Ｅの導入を行わないようにした。従って、このＥＧＲ制御弁９の開閉制御に基づいて、負荷率に対するスロットル下流圧力は、図３中太線の如く推移する。
【００１９】
なお、図３では、負荷投入時の設定負荷率を、ＥＧＲ率０％の時の限界負荷率Ｗ1 に設定しているが、勿論、負荷投入時の設定負荷率が、限界負荷率Ｗ1 よりも小さい値でよい時（例えば、負荷投入時の設定負荷率を４０％とする。）は、少なくとも負荷率がこの設定負荷率に達した時点で、ＥＧＲ制御弁９を開弁すればよく、負荷投入時に設定負荷率に達した段階で、直ちにＥＧＲを作動させた状態にすることができる。ただし、あまり低負荷の場合には、ＥＧＲによるノッキング限界の上昇効果は関係せず、設定負荷率到達時のスロットル下流圧力Ｐ1 に基づく気筒内の平均有効圧がノッキング限界値よりも充分低いのであれば、限界負荷率Ｗ1 までＥＧＲ制御弁９を閉弁したままでも差し支えない。
【００２０】
さて、図３の図示のＥＧＲ制御弁９の開閉制御を導入する場合においては、図１図示のＥＧＲ管６におけるＥＧＲレギュレーター８を削除することができる（図４図示）。なぜなら、ＥＧＲを行うのは、負荷率を、ＥＧＲ制御弁９の開弁タイミングＴを設定する限界負荷率Ｗ1 以上にする時であり、この段階で、スロットル下流圧力Ｐ2 は、充分に高圧になっており（大気圧Ｐ0 よりも高圧）、その分、排気側の圧力も高圧になっていて、ＥＧＲ管６内の排気Ｅの圧力も、空燃混合器１０からの原混合気の圧力に比して常に高い。従って、ベンチュリーミキサーであるＥＧＲ混合器１１において、給気系側がＥＧＲ管６側に比して負圧となり、必ずＥＧＲ管６からの排気Ｅが導入されるからである。従って、該ＥＧＲレギュレーター８を着脱自在とし、低コスト化を図る場合には、削除するようにすればよい。
【００２１】
また排気再循環系には、三元触媒通過後の排気を導入するので、ＮＯX のない排気を給気系に循環させることができ、更に、排気再循環方式を具備する場合に、排気冷却器において、ＮＯX が凝縮し、硝酸化して、排気系配管を腐蝕するという不具合が発生するおそれがあるが、該冷却器の上流側にて排気を三元触媒に通すことにより、排気系配管におけるこのような腐蝕を回避することができる。
【００２２】
更に、負荷率が少なくとも負荷投入時の設定負荷率以下の時には、排気再循環系を遮断する制御構造とすることで、負荷投入時（低負荷時）には、排気再循環系の遮断により、少なくとも負荷投入時の設定負荷率まで負荷率を得ることができる。そして、少なくとも設定負荷率以上の高負荷時において、排気再循環を行うことで、ノッキング限界を上昇させ、出力上昇を図ることができるのである。
【００２３】
そして、排気圧力が給気系の（排気導入前の）混合気圧よりも高い状態の時に排気再循環を行うので、レギュレーターを用いなくても、ベンチュリーミキサーを介して、排気再循環系内圧が給気系よりも高圧となっているので、該ベンチュリーミキサーを介しての給気系への排気再循環系からの排気の導入が安定的に行われる。従って、排気再循環系にＥＧＲレギュレーターを着脱可能に介設するので、低コストを図る時にはこれを削除してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明のＥＧＲ式ガスエンジンの給排気系とその制御系の略図である。
【図２】ＥＧＲ率に対するＮＯX 量及びノッキング限界の相関図である。
【図３】負荷率に対するスロットル下流圧力Ｐ1 ・Ｐ2 及びブースト圧Ｐ3 のグラフと電磁弁開閉タイミングＴを示す図である。
【図４】ＥＧＲレギュレーター８を削除した場合におけるＥＧＲ式ガスエンジンの給排気系とその制御系の略図である。
【符号の説明】
【００２５】
１      エンジン（ガスエンジン）
１ａ    シリンダヘッド
１ｂ    クランク軸
２      三元触媒
３      過給機
３ａ    タービン部
３ｂ    ブロア部
４      排気冷却器（熱交換器）
５      排気放出管
６      ＥＧＲ管
７      ＥＧＲ冷却器（熱交換器）
８      ＥＧＲレギュレーター
９      ＥＧＲ制御弁（電磁弁）
１０    空燃混合器
１１    ＥＧＲ混合器（ベンチュリーミキサー）
１２    給気管
１３    給気冷却器（インタークーラー）
１４    スロットル
１５    電子ガバナ
１６    空燃比制御弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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