(57)【要約】  【課題】  ガスエンジンの燃焼運転中に燃料ガスの性状が変化しても、排気ガス中のＮＯｘ濃度を上昇させることがないガスエンジン及びその制御方法の提供。  【解決手段】  排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度を計測する計測手段（ＮＯｘセンサ９）を排気系（８）に介装し、燃焼状態を示すパラメータ（エンジン回転数、エンジントルク、その他）から燃料ガスの性状、組成、種類を判定し、且つ、前記計測手段（９）の計測結果に基いて空燃比（λ）及び点火時期（ＩＴ）を制御する様に構成されている制御手段（１０）を備えている。  【選択図】  図１
2008002270.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気ガス中の窒素酸化物濃度を計測する計測手段を排気系に介装し、燃焼状態を示すパラメータから燃料ガスを判定し、且つ、前記計測手段の計測結果に基いて空燃比及び点火時期を制御する様に構成された制御手段を備えていることを特徴とするガスエンジン。
【請求項２】
排気ガス中の窒素酸化物濃度を計測する計測手段を排気系に介装し、前記計測手段の計測結果に基いて空燃比及び／又は点火時期を制御する様に構成された制御手段を備えていることを特徴とするガスエンジン。
【請求項３】
燃料ガスの性状、組成、種類を判定する燃料ガス判定工程を有し、該燃料ガス判定工程は、排気系に介装された計測手段により排気ガス中の窒素酸化物濃度を計測する窒素酸化物濃度計測工程と、燃料ガスの性状、組成、種類に基いて空燃比及び点火時期を制御する工程とを含んでいることを特徴とするガスエンジンの制御方法。
【請求項４】
燃料ガスの性状、組成、種類を判定する燃料ガス判定工程と、燃料ガスの性状、組成、種類に基いて空燃比及び点火時期の目標値を変更する工程と、該変更された目標値に近接する様に空燃比及び点火時期を制御する工程とを含み、空燃比及び点火時期を制御する工程では、排気ガス中の窒素酸化物濃度が許容範囲を超えた場合には空燃比及び点火時期の変更を中止し、その時点における空燃比及び点火時期を最適値としていることを特徴とするガスエンジンの制御方法。
【請求項５】
排気系に介装された計測手段により排気ガス中の窒素酸化物濃度を計測する窒素酸化物濃度計測工程と、該窒素酸化物濃度計測工程で計測された窒素酸化物濃度に応答して空燃比及び／又は点火時期を制御する工程とを含んでいることを特徴とするガスエンジンの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスエンジン及びその燃焼運転の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図５に示す従来のガスエンジン１Ａでは、吸気管２に介装したミキサ３によって燃料ガス供給ライン４から供給される燃料ガスＧと、前記吸気管２から供給される空気Ａが混合され、混合燃料ガスＧＡとなってシリンダ５に流入するように構成されている（特許文献１参照）。
【０００３】
又、前記燃料ガス供給ライン４には上流側にガバナ６Ａが、下流側には第１の流量制御弁Ｖ１が介装され、更に、該燃料ガス供給ライン４における前記ガバナ６Ａと第１の流量制御弁Ｖ１との間の領域と、前記吸気管２の前記ミキサ３の下流側とが第２の流量制御弁Ｖ２を介装したバイパス管７によって連通している。
【０００４】
一方、排気管８には酸素センサ９Ａが介装され、該酸素センサ９Ａからの排気ガスＥ中の酸素濃度に関する信号を信号ラインＬｉを介してコントロールユニット１０Ａに発信している。
該コントロールユニット１０Ａは前記酸素センサ９Ａからの排気ガスＥ中の酸素濃度情報に基づいてガスエンジン１の運転状態を判断しており、出力信号ラインＬｏを介して出力信号を発信し、前記第１の流量制御弁Ｖ１及び第２の流量制御弁Ｖ２の開度を制御している。
【０００５】
詳しくは、前記コントロールユニット１０Ａは、前記酸素センサ９Ａの出力を一定に保つように、前記第１及び第２の流量制御弁Ｖ１、Ｖ２を制御することにより、供給混合ガスの空燃比を一定に調整し、排気ガス成分等のエンジン性能を制御している。
【０００６】
しかし、上述の制御方法では供給される燃料ガスの性状が一定であることを前提に制御しており、供給する燃料ガスの組成（熱量）が変化した場合に、前記排気管に介装された酸素センサ９Ａの出力を一定に制御するだけでは、混合ガスの空燃比がずれてしまう為、排気ガス性能の悪化や、失火（着火性）などの問題を引き起こす可能性がある。
【０００７】
現状のガスエンジンは、そのような懸念に対しての考慮は払われておらず、燃焼中に供給燃料ガスの性状が変化して、燃料ガスの発熱量が変動してしまった場合には、運転状態も変化してしまい、機関性能の劣化や、排気ガス中の窒素酸化物濃度（ＮＯｘ濃度）が上昇してしまうという問題を抱えている。
【特許文献１】特開２００２−２２１０９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は上述した様な従来技術の問題点に鑑みて提案されたものであり、ガスエンジンの燃焼運転中に燃料ガスの性状が変化したとしても、排気ガス中のＮＯｘ濃度を上昇させることがないガスエンジン及びその制御方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のガスエンジン（１）は、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度を計測する計測手段（ＮＯｘセンサ９）を排気系（８）に介装し、燃焼状態を示すパラメータ（エンジン回転数、エンジントルク、その他）から燃料ガス（の性状、組成、種類）を判定し、且つ、前記計測手段（９）の計測結果に基いて空燃比（λ）及び点火時期（ＩＴ）を制御する様に構成されている制御手段（コントロールユニット１０）を備えている（請求項１：図1）。
【００１０】
そして本発明のガスエンジンの制御方法は、燃料ガスの性状、組成、種類を判定する燃料ガス判定工程（Ｓ４）を有し、該燃料ガス判定工程（Ｓ４）は、排気系（８）に介装された計測手段（ＮＯｘセンサ９）により排気ガス中の窒素酸化物濃度（ＮＯｘ濃度）を計測する窒素酸化物濃度（ＮＯｘ濃度）計測工程（Ｓ１）と、（ガスエンジンの燃焼状態を示す各種パラメータ、エンジン回転数、エンジントルクなど、の計測結果により判定された）燃料ガスの性状、組成、種類に基いて空燃比（λ）及び点火時期（ＩＴ）を制御する工程（Ｓ５）とを含んでいる（請求項３：図２）。
【００１１】
係る構成を具備する本発明によれば、通常時においては、ＮＯｘセンサ（９）によって検出された排気ガス中のＮＯｘ濃度が、所定範囲内に収まるように、空燃比、点火時期を制御する。
【００１２】
燃料の組成、性状、種類等が変動し、それに対応した制御を行うに際しても、ＮＯｘ濃度が許容値を越えないように制御を行う。
又、燃料の組成、性状、種類が仮に変更されたとしても、ガスエンジン（１）の排気中のＮＯｘ濃度が許容値を越えることが抑制され、或いは防止される。
【００１３】
本発明の実施に際して、燃料の組成、性状、種類を判定するルーチンは、
（ａ）  運転継続時間が所定の時間を経過した時、
（ｂ）  エンジンの出力が、上限閾値以上となった時、或いは、下限閾値以下となった時、
（ｃ）  エンジンの回転数が、上限閾値以上となった時、或いは、下限閾値以下となった時、
（ｄ）  スロットル開度が、上限閾値以上に開放された時、或いは、下限閾値以下まで減少した時、
に開始されるのが好ましい。
【００１４】
又、本発明のガスエンジンの制御方法は、燃料ガスの性状、組成、種類を判定する燃料ガス判定工程（Ｓ１２）と、燃料ガスの性状、組成、種類に基いて空燃比（λ）及び点火時期（ＩＴ）の目標値を変更する工程（Ｓ１３）と、該変更された目標値に近接する様に空燃比（λ）及び点火時期（ＩＴ）を制御（変更）する工程（Ｓ１４）とを含み、空燃比（λ）及び点火時期（ＩＴ）を制御（変更）する工程（Ｓ１４）では、排気ガス中の窒素酸化物濃度（ＮＯｘ濃度）が許容範囲を超えた場合には空燃比（λ）及び点火時期（ＩＴ）の変更を中止し（Ｓ１７）、その時点における空燃比（λ）及び点火時期（ＩＴ）を最適値とする様にされている（請求項４：図３）。
【００１５】
係る本発明のガスエンジンの制御方法によれば、空燃比（λ）及び点火時期（ＴＩ）の目標値は燃料ガスの組成・性状によって変更が可能であるので、一層最適値に近い空燃比（λ）及び点火時期（ＴＩ）とすることが出来、滑らかで効率が良く、しかもＮＯｘを削減するような運転が可能となる。
【００１６】
さらに本発明のガスエンジン（１）では、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度を計測する計測手段（ＮＯｘセンサ９）を排気系（８）に介装し、前記計測手段（９）の計測結果に基いて空燃比（λ）及び／又は点火時期（ＩＴ）を制御する様に構成された制御手段（コントロールユニット１０）を備えている（請求項２）。
また、本発明のガスエンジンの制御方法は、排気系（８）に介装された計測手段（ＮＯｘセンサ９）により排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度を計測する窒素酸化物濃度計測工程と、該窒素酸化物濃度計測工程で計測された窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度に応答して空燃比（λ）及び／又は点火時期（ＩＴ）を制御する工程とを含んでいる（請求項５）。
【００１７】
係る構成を具備する本発明によれば、排気系（８）に介装された計測手段（ＮＯｘセンサ９）の計測結果を用いて、ガスエンジン（１）のフィードバック制御を行うことが出来る。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の作用効果を以下に列挙する。
（１）  通常時においては、計測手段によって検出された排気ガス中のＮＯｘ濃度が、所定範囲内に収まるように、空燃比、点火時期を制御する。
（２）  燃料の組成、性状、種類等が変動し、それに対応した制御を行うに際しては、ＮＯｘ濃度が許容値を越えないように制御を行う。
（３）  燃料の組成、性状、種類が仮に変更された場合は、ガスエンジンの排気中のＮＯｘ濃度が許容値を越えることが抑制され、或いは防止される。
（４）  空燃比及び点火時期の目標値が燃料ガスの組成・性状によって変更が可能であるので、一層最適値に近い空燃比及び点火時期とすることが出来、滑らかで効率が良く、しかもＮＯｘを削減するような運転が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
図１及び図２は、本発明の第１実施形態を示す。
先ず、図１を参照して、本発明の第１実施形態のガスエンジンについて説明する。
ガスエンジン１は、吸気管２に介装したミキサ３によって燃料ガス供給ライン４から該ミキサ３に供給される燃料ガスＧと、前記吸気管２から供給される空気Ａが混合され、混合燃料ガスＧＡとなってシリンダ５に流入するように構成されている。
【００２０】
又、前記燃料ガス供給ライン４には上流側にガバナ６が、下流側には第１の流量制御弁Ｖ１が介装され、更に、該燃料ガス供給ライン４における前記ガバナ６と第１の流量制御弁Ｖ１との間の領域と、前記吸気管２の前記ミキサ３の下流側とが第２の流量制御弁Ｖ２を介装したバイパス管７によって連通している。
【００２１】
一方、排気管８にはＮＯｘセンサ９が介装され、該ＮＯｘセンサ９からの排気ガスＥ中のＮＯｘ濃度に関する信号を信号ラインＬｉを介してコントロールユニット１０の後述のＮＯｘ読込手段１０ａに発信している。
【００２２】
該コントロールユニット１０は、ＮＯｘ値読み込み手段１０ａと、比較手段１０ｂと、空燃比決定手段１０ｃと、バルブ開度決定手段１０ｄと、記憶手段１０ｅと、点火時期決定手段１０ｆと、組成判断手段１０ｇと、センサ値読込手段１０ｈ、とで構成されている。
【００２３】
前記センサ値読込手段１０ｈは回転数センサ、トルクセンサ及びその他のセンサからなるセンサ群１１から信号ラインＬｉを介してガスエンジンの運転に関わるパラメータを読込む。
【００２４】
前記記憶手段（データベース）１０ｅは、ＮＯｘの許容値（許容上限値、下限値）、空気流量、ガス流量、スロットル開度、エンジン回転数、負荷、排気ガス酸素濃度、ＮＯｘ濃度等と、燃料ガスとの関係を示すマップや、空燃比（λ）或いはバルブ開度のマップ、点火時期（ＴＩ）のマップ、その他の情報を記憶している。
【００２５】
前記比較手段１０ｂは、前記ＮＯｘ値読込手段からのＮＯｘ値と、前記記憶手段１０ｅからの情報に基づき、その時点での運転状況におけるＮＯｘ地が所定範囲であるか否かを判断して空燃比決定手段１０ｃと、点火時期決定手段１０ｆに情報を与える。
【００２６】
前記組成判断手段１０ｇは、前記記憶手段１０ｅおよび前記センサ値読込手段１０ｈからの情報に基づき、燃料ガスの組成を判断して、前記空燃比決定手段１０ｃに空燃比を決定するための情報を与え、前記点火時期決定手段１０ｆに点火時期を決定するための情報を与える。
【００２７】
前記バルブ開度決定手段１０ｄは、前記空燃比決定手段で決定された空燃比（λ）に対応するように前記燃料ガス供給ライン４に介装された第１の流量制御弁Ｖ１の開度と、前記バイパス管７に介装された第２の流量制御弁Ｖ２の開度を信号ラインＬｏを介して制御する。
【００２８】
そして、前記点火時期決定手段１０ｆは前記記憶手段１０ｅ、前記比較手段１０ｂ及び前記組成判断手段１０ｆからの情報に基づいて点火時期（ＴＩ）を決定し、信号ラインＬｏを介して点火手段１２に点火信号を発信するように構成されている。
【００２９】
ここで、第１実施形態による具体的な制御の内容について説明する。
先ず、通常時には、ＮＯｘセンサ９の出力を基準に、空燃比（λ）、点火時期（ＴＩ）を制御している。即ち、ＮＯｘ濃度が許容限度を超えないように、空燃比（λ）、点火時期（ＴＩ）を制御する。
通常時の制御については、従来技術と同様であるので、以降の詳細は省略する。
【００３０】
次に、燃料ガスの組成、性状、種類が運転中に変動する場合の制御について、図２のフローチャートをも参照して説明する。
【００３１】
ステップＳ１において、コントロールユニット１０のＮＯｘ値読込手段１０ａは、ＮＯｘセンサ９の出力を読み込み、次のステップＳ２に進む。
【００３２】
ステップＳ２ではコントロールユニット１０は、ＮＯｘ濃度が所定範囲か否かを判断する。
ＮＯｘ濃度が許容範囲を超えていない場合（ステップＳ２のＹＥＳ）には、燃料ガスの組成、性状、種類が変更しても、運転上の問題が無いものとして、通常の制御に戻る（図２の制御は終了する）。
【００３３】
一方、ＮＯｘ濃度が許容範囲を超えた場合（ステップＳ２のＮＯ）には、燃焼状態を判断する各種パラメータ（エンジン回転数、エンジントルク、ＮＯｘ濃度、空燃比、その他）を検出する各種センサ１１の出力をセンサ値読込み手段１０ｈで読み込み（ステップＳ３）、組成判断手段１０ｇで燃料ガスの組成、性状、種類等を判断する（ステップＳ４）。
【００３４】
ここで、燃料ガスの組成、性状、種類を判断する（ステップＳ４）制御は、例えば、
（ａ）  運転継続時間が所定の時間を経過した時、
（ｂ）  エンジンの出力が、上限閾値以上となった時、或いは、下限閾値以下となった時、
（ｃ）  エンジンの回転数が、上限閾値以上となった時、或いは、下限閾値以下となった時、
（ｄ）  スロットル開度が、上限閾値以上に開放された時、或いは、下限閾値以下まで減少した時、
に開始される。
【００３５】
そして次のステップＳ５において、コントロールユニット１０の空燃比決定手段１０ｃは個々のエンジンの特性をも考慮しつつ、記憶手段１０ｅに記憶されたマップや表、特性図等から、最適な空燃比（λ）と点火時期（ＩＴ）を求める。
【００３６】
そして、ステップＳ１に戻り、空燃比（λ）と点火時期（ＩＴ）を変更する制御は、ＮＯｘ濃度が許容範囲内に収まるまで続けられる。
【００３７】
係る構成を具備する本発明によれば、通常時においては、ＮＯｘセンサ（９）によって検出された排気ガス中のＮＯｘ濃度が、所定範囲内に収まるように、空燃比、点火時期を制御する。
【００３８】
燃料の組成、性状、種類等が変動し、それに対応した制御を行うに際しても、ＮＯｘ濃度が許容値を越えないように制御を行う。
又、燃料の組成、性状、種類が仮に変更されたとしても、ガスエンジン（１）の排気中のＮＯｘ濃度が許容値を越えることが抑制され、或いは防止される。
【００３９】
次に図３を参照して、本発明の第２実施形態を説明する。
第２実施形態では、その構成は図１で示すのと同様である。しかし、第２実施形態では、燃料ガスの組成、性状、種類を判断する制御において、ＮＯｘセンサ９の出力を参照しつつ（ＮＯｘ濃度が許容値を越えない様に観察しつつ）、空燃比と点火時期を最適値に近づけるように制御する。
【００４０】
ＮＯｘセンサの出力が許容値を越えた段階で、空燃比（λ）と点火時期（ＩＴ）を、その状態における許容最適値とするように制御している。
換言すれば、ＮＯｘセンサ９の出力が許容値を越えたならば、空燃比（λ）と点火時期（ＩＴ）の変更を停止し、その時点における空燃比（λ）と点火時期（ＩＴ）を最適値として採用するのである。
【００４１】
以下、第２実施形態の制御方法を図３のフローチャートに沿って詳細に説明する。
ステップＳ１１において、燃焼状態を判断する各種パラメータ（エンジン回転数、エンジントルク、ＮＯｘ濃度、空燃比、その他）を検出する各種センサ１１の出力をセンサ値読込み手段１０ｈで読み込み、次のステップＳ１２に進む。
【００４２】
ステップＳ１２では、コントロールユニット１０の組成判断手段１０ｇが燃料ガスの組成、性状、種類等を判断し、次のステップＳ１３において空燃比（λ）、および点火時期（ＩＴ）の目標値を適切な値に変更する。
【００４３】
次のステップＳ１４では実際に空燃比決定手段１０ｃによって空燃比（λ）を、また、点火時期決定手段１０ｆによって点火時期（ＩＴ）を変更してステップＳ１５に進む。
【００４４】
ステップＳ１５では、コントロールユニット１０は、ＮＯｘ濃度が所定範囲か否かを判断しており、所定範囲であれば（ステップＳ１５のＹＥＳ）、ステップＳ１６に進み、所定範囲外であれば（ステップＳ１５のＮＯ）、ステップＳ１７に進む。
【００４５】
ステップＳ１６では、コントロールユニット１０は、空燃比（λ）及び点火時期（ＩＴ）が目標値に達したか否かを判断しており、目標値に達していれば（ステップＳ１６のＹＥＳ）、制御を終了し、達していなければ（ステップＳ１６のＮＯ）、ステップＳ１４以降を繰り返す。
【００４６】
ステップＳ１７では、コントロールユニット１０は、空燃比（λ）及び点火時期（ＩＴ）の変更を停止し、制御を終了する。
【００４７】
このような制御方法を具備した本発明の第２実施形態によれば、空燃比（λ）及び点火時期（ＴＩ）の目標値は燃料ガスの組成・性状によって変更が可能であるので、一層最適値に近い空燃比及び点火時期とすることが出来、滑らかで効率が良く、しかもＮＯｘを削減するような運転が可能となる。
【００４８】
図４は、本発明の第３実施形態を示す。
第３実施形態も、その構成は図１で示すのと同様である。しかし、第３実施形態では、燃料ガスの組成、性状、種類を判断せずに、ＮＯｘセンサ９の出力（検出結果）に基いて、ＮＯｘ濃度が許容値を越えない様に、空燃比及び／または点火時期を最適値に近づけるべく、フィードバック制御を行っている。
以下、第３実施形態の制御方法を図４のフローチャートに沿って詳細に説明する。
【００４９】
先ず、ステップＳ２１において、排気系８に介装されたＮＯｘセンサ９により排気ガス中のＮＯｘ濃度を計測し、ＮＯｘセンサ９の出力を、コントロールユニット１０のＮＯｘ値読み込み手段１０ａに対して出力する（ステップＳ２１）。
【００５０】
そして、コントロールユニット１０の比較手段１０ｂにより、計測されたＮＯｘ濃度の数値が所定の範囲内（適正な範囲内）にあるか否かを判断する（ステップＳ２２）。
計測されたＮＯｘ濃度の数値が適正な範囲内にあれば（ステップＳ２２の「所定範囲内」）、リターンして（ステップＳ２３）、ステップＳ２１から繰り返す。
【００５１】
計測されたＮＯｘ濃度の数値が適正な範囲よりも小さければ（ステップＳ２２の「ＮＯｘが所定範囲よりも小」）、空気比λを小さくするべく、空気比決定手段１０ｃ、バルブ開度決定手段１０ｄにより、第１の流量制御弁Ｖ１の開度と、前記バイパス管７に介装された第２の流量制御弁Ｖ２の開度を、信号ラインＬｏを介して制御する（ステップＳ２４）。及び／又は、点火時期を進角するべく、点火時期決定手段１０ｆは点火時期（ＴＩ）を決定し、信号ラインＬｏを介して点火手段１２に点火信号を発信する（ステップＳ２４）。
なお、空気比λを小さくすることと、点火時期を進角することとは、何れか一方を行っても良いし、双方を同時に行っても良い。
ステップＳ２４の後、リターンして（ステップＳ２３）、ステップＳ２１から繰り返す。
【００５２】
計測されたＮＯｘ濃度の数値が適正な範囲よりも大きければ（ステップＳ２２の「ＮＯｘが所定範囲よりも大」）、空気比λを大きくするべく、空気比決定手段１０ｃ、バルブ開度決定手段１０ｄにより、第１の流量制御弁Ｖ１の開度と、前記バイパス管７に介装された第２の流量制御弁Ｖ２の開度を、信号ラインＬｏを介して制御する（ステップＳ２５）。及び／又は、点火時期を遅角するべく、点火時期決定手段１０ｆは点火時期（ＴＩ）を決定し、信号ラインＬｏを介して点火手段１２に点火信号を発信する（ステップＳ２５）。
なお、空気比λを大きくすることと、点火時期を遅角することとは、何れか一方を行っても良いし、双方を同時に行っても良い。
ステップＳ２５の後、リターンして（ステップＳ２３）、ステップＳ２１から繰り返す。
【００５３】
図示の実施形態はあくまでも例示であり、本発明の技術的範囲を限定する趣旨の記述ではない。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の第１実施形態の構成を示す模式図。
【図２】本発明の第１実施形態の制御方法を示すフローチャート。
【図３】本発明の第２実施形態の制御方法を示すフローチャート。
【図４】本発明の第３実施形態の制御方法を示すフローチャート。
【図５】従来技術の構成を示す模式図。
【符号の説明】
【００５５】
１・・・ガスエンジン
２・・・吸気管
３・・・ミキサ
４・・・燃料ガス供給ライン
５・・・シリンダ
６・・・ガバナ
７・・・バイパス管
８・・・排気管
９・・・ＮＯｘセンサ
１０・・・コントロールユニット
１１・・・各種センサ
１０ａ・・・ＮＯｘ値読込手段
１０ｂ・・・比較手段
１０ｃ・・・空燃比決定手段
１０ｄ・・・バルブ開度決定手段
１０ｅ・・・記憶手段
１０ｆ・・・点火時期決定手段
１０ｇ・・・組成判断手段
１０ｈ・・・センサ値読込手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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