JP2016166564A - 天然ガスエンジン及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】天然ガスの組成変化に起因する失火の発生を抑制することができる天然ガスエンジン及びその運転方法を提供する。
【解決手段】排気通路２５に設置されたラムダセンサ２８の検出値が、天然ガスエンジンのエンジン回転数及びエンジン負荷に基づいて予め設定された目標λ値と一致するようにインジェクタ１７からの天然ガス８の供給量を制御する天然ガスエンジンにおいて、ＥＣＵ２７は、気筒１２で発生する振動値を検出する振動センサ３３の出力値Ｖが、エンジン回転数Ｒ及びスロットルの開度Ｄに基づいて予め設定された失火判定値Ｆ以下になった場合は、その出力値Ｖが失火判定値Ｆ超になるまで目標λ値を減少させる制御を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は天然ガスエンジン及びその運転方法に関し、更に詳しくは、天然ガスの組成変化に起因する失火の発生を抑制することができる天然ガスエンジン及びその運転方法に関する。

従来より、車両等に搭載される内燃機関として、圧縮天然ガス（ＣＮＧ）を燃料とする天然ガスエンジンが提案されている。一般に、この天然ガスエンジンには、ＣＮＧを減圧したガスと吸入空気との混合気に点火プラグの火花で点火して燃焼させる火花点火方式が用いられる（例えば、特許文献１を参照）。

ＣＮＧの原料となる天然ガスは、産出する場所や時期により、その組成が変化することが知られている。そのため、我が国では、ＣＮＧを一般家庭でも使用することができるように、精製等により天然ガスの組成を調整することが行われている。これに対して海外では、ＣＮＧの用途が車両にほぼ限定されているため、通常は産出されたままの天然ガスからなるＣＮＧが天然ガスエンジンの燃料として使用される。

しかし、このＣＮＧに、窒素や二酸化炭素などの不燃物質が大量に含まれていると、混合気が火花点火されても燃焼せずに失火してしまい、天然ガスエンジンの運転に影響を及ぼすおそれがある。

特開２００４−１２４７１０号公報

本発明の目的は、天然ガスの組成変化に起因する失火の発生を抑制することができる天然ガスエンジン及びその運転方法を提供することにある。

上記の目的を達成する本発明の天然ガスエンジンは、空気流量を調節するスロットルが介設された吸気通路に天然ガスを供給するインジェクタと、前記空気と前記天然ガスとの混合気を点火プラグの火花で点火して燃焼させる気筒と、排気通路に設置されたラムダセンサと、制御手段とを備え、前記制御手段が、前記ラムダセンサの検出値が、前記天然ガスエンジンのエンジン回転数及びエンジン負荷に基づいて決定される目標λ値と一致するように前記インジェクタからの天然ガスの供給量を制御する天然ガスエンジンにおいて、前記気筒に生じる振動値を検出する振動センサを設置し、前記制御手段は、前記振動センサの出力値が、前記エンジン回転数及び前記スロットルの開度に基づいて予め設定された失火判定値以下になった場合は、前記出力値が前記失火判定値超になるまで前記目標λ値を減少させる制御を行うことを特徴とするものである。

また、上記の目的を達成する本発明の天然ガスエンジンの運転方法は、気筒内に吸引された天然ガスと空気との混合気に火花で点火して燃焼させるとともに、前記混合気の燃焼ガスのλ値が、エンジン回転数及びエンジン負荷に基づいて決定される目標λ値と一致するように前記天然ガスの供給量を制御する天然ガスエンジンの運転方法において、前記気筒に生じる振動値が、前記エンジン回転数及び前記空気の流量に基づいて予め設定された失火判定値以下になった場合は、前記振動値が前記失火判定値超になるまで前記目標λ値を減少させることを特徴とするものである。

本発明の天然ガスエンジン及びその運転方法によれば、天然ガスの組成変化に起因して、気筒内で失火が発生したときには、目標λ値を適切なレベルまで減少させることで、混合気をリッチ化して火花点火しやすくなるようにしたので、天然ガスエンジンにおける失火を抑制することができる。

本発明の実施形態からなる天然ガスエンジンの構成図である。 目標λ値を決定するマップデータの例である。 本発明の実施形態からなる天然ガスエンジンの運転方法を説明するフロー図である。 失火判定値を決定するマップデータの例である。

以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態からなる天然ガスエンジンを示す。

この天然ガスエンジンにおいては、吸気口１から吸気通路２に吸入された空気Ａは、ターボチャージャー３のコンプレッサー４により圧縮されてからインタークーラー５で冷却され、スロットル６で流量を調整される。そして、流量を調整された空気Ａは、インテークマニホールド７を経てから、燃料となる天然ガス８と混合されて混合気９となって、吸気バルブ１０が開弁したときにシリンダーブロック１１内に形成された複数の気筒１２（この例では４個）内にそれぞれ供給される。

なお、天然ガス８は、車体に搭載された複数のＣＮＧ容器１３から、遮断弁１４及びレギュレータ１５が介設されたＣＮＧ配管１６に接続するインジェクタ１７を通じて、各気筒１２の吸気ポート内へ供給される。

気筒１２内に供給された混合気９は、点火プラグ１８の火花により適切なタイミングで点火されることで燃焼し、シリンダ１９内のエンジンピストン２０を往復動させてクランクシャフト２１を回転駆動した後に、排気バルブ２２が開弁したときに燃焼ガス２３となってエキゾーストマニホールド２４から排気通路２５へ排気される。

排気通路２５へ排気された燃焼ガス２３は、ターボチャージャー３のタービン２６及び浄化装置（図示せず）を経て、車両の外部へ排ガスＧとして放出される。

この天然ガスエンジンの運転においては、最適な運転状態を維持するために、制御手段であるＥＣＵ２７により、タービン２６の下流側の排気通路２５に設置された燃焼ガス２３の空気過剰率（λ値）を検出するラムダセンサ２８の検出値が、エンジン回転数及びエンジン負荷に基づいて決定される目標λ値と一致するように、インジェクタ１７からの天然ガス８の供給量を調整する制御が行われるようになっている。

なお、エンジン回転数は、エンジン本体２９に設置された回転センサ３０により測定される。また、エンジン負荷は、スロットル６の下流側の吸気通路２に設置された空気Ａの流量を測定する圧力センサ３１と吸気温度センサ３２との測定値から推定される。

図２に、目標λ値を決定するマップデータの例を示す。このマップデータでは、エンジン回転数及びエンジン負荷の増加に伴い目標λ値を大きくして、天然ガスエンジンの高回転・高負荷運転時には混合気９がリーン状態になるように設定されている。

この天然ガスエンジンには、シリンダーブロック１６には振動センサ３３が取り付けられている。この振動センサ３３は、気筒１２内で混合気９が火花点火されて燃焼する際の燃焼圧力により発生した振動を、電圧信号としてＥＣＵ２７に出力する機能を有している。この振動センサ３３には、ガソリンエンジンのノッキングの検出に用いられるノックセンサが望ましく用いられる。

なお、振動センサ３３の台数は、特に限定するものではなく、例えば図１の構成例では１〜４台の振動センサ３３を、シリンダーブロック１１に取り付けることができる。

このような天然ガスエンジンの運転方法を、ＥＣＵ２７の機能として、図３に従って以下に説明する。

ＥＣＵ２７は、目標λ値を決定するマップデータ（図２を参照）に従って天然ガスエンジンを運転する（Ｓ１０）一方で、振動センサ３３の出力値Ｖを入力する（Ｓ２０）とともに、回転センサ３０の検出値Ｒ及びスロットル６の開度Ｄを入力する（Ｓ３０）。次に、それらの検出値Ｒ及び開度Ｄと予め設定されたマップデータとから、気筒１２内での失火の有無を判定する失火判定値Ｆを決定する（Ｓ４０）。

図４に、失火判定値Ｆを決定するマップデータの例を示す。このマップデータは、振動センサ３３の出力値の平均値を比較対象としており、予め実験又は計算により設定される。この例では、失火判定値はエンジン回転数に対して一定となるように設定される一方で、スロットル６の開度に対しては正の相関関係となるように設定されている。

そして、ＥＣＵ２７は、振動センサ３３の出力値Ｖを失火判定値Ｆと比較し（Ｓ５０）、出力値Ｖが失火判定値Ｆ超である場合には、気筒１２内で失火は発生していないと判断して（Ｓ６０）、ステップ１０に戻る。

その一方で、出力値Ｖが失火判定値Ｆ以下になった場合は、気筒１２内で失火が発生したと判断して（Ｓ７０）、その出力値Ｖが失火判定値Ｆ超になるまで、図２に示すマップデータにおいて運転条件が相当する目標λ値を所定の減分ｃだけ繰り返し減少させる（Ｓ８０〜Ｓ１０）。なお、このステップ８０における目標λ値の減分ｃの大きさは、天然ガスエンジンの仕様及び天然ガス８の組成などに応じて適宜設定される。

このように、天然ガス８の組成変化により、気筒１２内で失火が発生したときには、運転に係る目標λ値を適切なレベルまで減少させることで、混合気９をリッチ化して火花点火しやすくするので、天然ガス８の組成変化に起因する失火を抑制することができるのである。

２ 吸気通路
６ スロットル
８ 天然ガス
９ 混合気
１１ シリンダーブロック
１２ 気筒
１７ インジェクタ
１８ 点火プラグ
２３ 燃焼ガス
２５ 排気通路
２７ ＥＣＵ
２８ ラムダセンサ
３０ 回転センサ
３１ 圧力センサ
３２ 吸気温度センサ
３３ 振動センサ

Claims (3)

1. 空気流量を調節するスロットルが介設された吸気通路に天然ガスを供給するインジェクタと、前記空気と前記天然ガスとの混合気を点火プラグの火花で点火して燃焼させる気筒と、排気通路に設置されたラムダセンサと、制御手段とを備え、
   前記制御手段が、前記ラムダセンサの検出値が、前記天然ガスエンジンのエンジン回転数及びエンジン負荷に基づいて決定される目標λ値と一致するように前記インジェクタからの天然ガスの供給量を制御する天然ガスエンジンにおいて、
   前記気筒に生じる振動値を検出する振動センサを設置し、
   前記制御手段は、前記振動センサの出力値が、前記エンジン回転数及び前記スロットルの開度に基づいて予め設定された失火判定値以下になった場合は、前記出力値が前記失火判定値超になるまで前記目標λ値を減少させる制御を行うことを特徴とする天然ガスエンジン。
2. 前記振動センサがノックセンサである請求項１に記載の天然ガスエンジン。
3. 気筒内に吸引された天然ガスと空気との混合気に火花で点火して燃焼させるとともに、前記混合気の燃焼ガスのλ値が、エンジン回転数及びエンジン負荷に基づいて決定される目標λ値と一致するように前記天然ガスの供給量を制御する天然ガスエンジンの運転方法において、
   前記気筒に生じる振動値が、前記エンジン回転数及び前記空気の流量に基づいて予め設定された失火判定値以下になった場合は、前記振動値が前記失火判定値超になるまで前記目標λ値を減少させることを特徴とする天然ガスエンジンの運転方法。

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