JP4452200B2 - Ｅｇｒシステム付きガスエンジン及びその運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料ガスと空気とをミキサーで混合し、この混合気をスロットル弁により開閉される給気通路を通してエンジンに供給して着火燃焼せしめるとともに、ＥＧＲガス（排気再循環ガス）をＥＧＲ弁により開閉されるＥＧＲ通路を通してエンジンに供給可能に構成されたＥＧＲシステム付きガスエンジン、及び該ガスエンジンの運転方法に関する。

燃料ガスと空気とをミキサーで混合し、この混合気を給気通路を通してエンジンに供給して着火燃焼せしめるとともに、ＥＧＲガス（排気再循環ガス）をＥＧＲ弁により開閉されるＥＧＲ通路を通してエンジンに供給するように構成されたＥＧＲシステム付きガスエンジンの１つに、特許文献１（特開平１０−１３１７４２号公報）にて提案された技術がある。

かかる技術においては、燃料ガスと空気とをミキサーで混合するとともに、排気通路中の排気ガスから分流されたＥＧＲガスをＥＧＲ弁により開閉されるＥＧＲ通路を通して、前記ミキサー出口の給気通路に設置されたＥＧＲ混合器に送り込み、該ＥＧＲ混合器において前記ミキサーからの混合気とＥＧＲガスとを混合してエンジンに供給して着火燃焼せしめるガスエンジンにおいて、負荷投入時の限界負荷率に達するまでは前記ＥＧＲ弁を閉弁してＥＧＲを停止し、前記限界負荷率を超える高負荷時においてＥＧＲ弁を開弁してＥＧＲを行なうことにより、ノッキング限界を上昇させるように構成されている。

特開平１０−１３１７４２号公報

燃料ガスと空気とをミキサーで混合し、この混合気をスロットル弁により開閉される給気通路を通してエンジンに供給して着火燃焼せしめるように構成されたガスエンジンにおいては、低負荷運転時や低温で空気密度が小さくエンジンの吸入空気量（重量）が大きい運転時には、エンジン出力が目標出力よりも過大になるため、通常は、スロットル弁の開度を小さくして運転している。
このため、前記のようなスロットル弁の開度を小さくしての運転時には、該スロットル弁の通路が絞られていることによるポンプ損失が大きくなって、エンジンの熱効率が低下するという事態が発生する。

然るに、前記特許文献１（特開平１０−１３１７４２号公報）にあっては、ＥＧＲシステムをそなえたガスエンジンにおいて、エンジンの負荷投入時の限界負荷率に達するまではＥＧＲを停止し、前記限界負荷率を超える高負荷時においてＥＧＲ弁を開弁してＥＧＲを行なうことによりノッキング限界を上昇させる手段が開示されているにとどまり、ＥＧＲを制御してエンジンの低負荷運転時や低温給気運転時における、エンジンのポンプ損失についてはまったく触れられていない。

本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、エンジンの低負荷運転時や低温給気下の運転時におけるスロットル弁の絞りに伴うエンジンのポンプ損失を低減し、該ポンプ損失による熱効率の低下を防止して、結果としてかかる運転時における熱効率を上昇し得るＥＧＲシステム付きガスエンジンを提供することを目的とする。

本発明はかかる目的を達成するもので、燃料ガスと空気とをミキサーで混合し、この混合気をスロットル弁により開閉される給気通路を通してエンジンに供給して着火燃焼せしめるとともに、排気通路中の排気ガスから分流されたＥＧＲガス（排気再循環ガス）をＥＧＲ弁により開閉されるＥＧＲ通路を通してエンジンに供給可能に構成されたＥＧＲシステム付きガスエンジンの運転方法において、給気温度が一定温度を超える運転域のとき、前記エンジンの運転特性により規定された基準スロットル開度によって運転され、給気温度が前記一定温度以下の低温運転域のとき、前記スロットル弁の開度を前記エンジンの運転特性により規定された基準スロットル開度よりも開度増加量ΔＳだけ大きい過大開度に設定するとともに、該過大開度の期間中に前記ＥＧＲ弁を開いて前記開度増加量ΔＳに相当する混合気量に対応する流量のＥＧＲガスを前記混合気とともにエンジンに供給し、エンジンに供給される燃料ガスと空気の混合気中の空気量の割合を前記ＥＧＲガスによって低下してエンジン出力を目標出力に保持することを特徴とする。

また、かかるガスエンジンの運転方法に用いる装置の発明は、燃料ガスと空気とをミキサーで混合し、この混合気をスロットル弁により開閉される給気通路を通してエンジンに供給して着火燃焼せしめるとともに、排気通路中の排気ガスから分流されたＥＧＲガス（排気再循環ガス）をＥＧＲ弁により開閉されるＥＧＲ通路を通してエンジンに供給可能に構成されたＥＧＲシステム付きガスエンジンにおいて、前記エンジンの給気温度を検出する給気温度センサを設け、該給気温度センサの検出値が一定温度を超える運転域のとき、エンジンの運転特性により規定された基準スロットル弁開度によって運転するコントローラを備え、該コントローラは、該給気温度センサの検出値が前記一定温度以下の低温運転域のとき、前記エンジンの運転特性により規定された基準スロットル弁開度よりも開度増加量ΔＳだけ大きい過大開度に設定するスロットル弁開度設定手段と、該過大開度の期間中に前記ＥＧＲ弁を開いて前記開度増加量ΔＳに相当する混合気量に対応する流量のＥＧＲガスを給気中に供給可能な開度に設定するＥＧＲ弁開度設定手段とをそなえ、前記スロットル弁開度設定手段による過大開度設定期間中において前記ＥＧＲ弁開度設定手段により設定されたＥＧＲ弁開度によってＥＧＲガスを前記混合気とともに前記エンジンに供給せしめて、エンジンに供給される燃料ガスと空気の混合気中の空気量の割合をＥＧＲガスによって低下してエンジン出力を目標出力に保持可能に構成したことを特徴とする。

かかる発明によれば、給気温度が一定温度を超える運転域のときは、エンジンの運転特性により規定される基準スロットル開度によって運転され、給気温度が前記一定温度以下の低温運転域のとき、スロットル弁開度設定手段によってスロットル弁の開度をエンジンの運転特性により規定された基準スロットル開度よりも開度増加量ΔＳだけ大きい過大開度に設定するとともに、ＥＧＲ弁開度設定手段によってＥＧＲ弁を開くとともに、前記開度増加量ΔＳに相当する混合気量に対応する流量のＥＧＲガスを給気中に供給可能な開度になるように設定して、ＥＧＲガスを混合気とともにエンジンに供給せしめるように構成したので、給気温度の低温時においてエンジンが所定出力（目標出力）よりも過大な過大出力となっているとき、スロットル弁を基準開度よりも大きい過大開度に設定して実際の混合気量を規定混合気量よりも増加するとともに、ＥＧＲ弁を開放してＥＧＲガスを前記混合気と混合し、この混合給気をエンジンに供給することにより、スロットル弁開度を前記過大開度に設定した状態であっても、該給気中の新気（混合気）の割合をＥＧＲガスによって小さくして燃焼を抑制できる。

これにより、給気温度の低温時において、スロットル弁開度を前記過大開度に設定してもエンジン出力を所定出力（目標出力）に抑えて運転でき、従って給気温度の低温時において、スロットル弁の通路が絞られていることによるポンプ損失を低減することが可能となり、該ポンプ損失によるエンジンの熱効率の低下を防止でき、結果としてかかる給気温度の低温運転時におけるエンジンの熱効率を上昇することができる。
また、前記給気温度の低温時において、ＥＧＲガスを混合気と混合してなる混合給気をエンジンに供給するので、スロットル弁開度を過大開度に設定した状態での混合給気中のＥＧＲガスの比率が大きくなってＮＯｘの低減効果が向上する。

かかる発明において、具体的には次の（１），（２）のように構成するのが好ましい。
（１）前記ＥＧＲ通路を前記給気通路の前記スロットル弁の下流部位に接続して、該スロットル弁を通った混合気に前記ＥＧＲガスを混合する。
スロットル弁下流にＥＧＲガスを混合した場合、吸気側との圧力差が大きいためＥＧＲガス量を十分確保できる。その結果、スロットル弁を過度な開度に設定でき、ポンプ損失を低減できる。
（２）前記ＥＧＲ通路を前記ミキサーの上流側の空気通路に接続し、該空気通路中の空気に前記ＥＧＲガスを混合して前記ミキサーに導入する。
このように構成すれば、ミキサーの上流側で空気とＥＧＲガスとを混合してから、ミキサーにてＥＧＲガスが混合した空気と燃料ガスとを混合するので、ＥＧＲガスと燃料ガス−空気の混合気（新気）との混合時間を確保することが可能となり、給気の希薄化を促進できて、ＮＯｘの発生量を低減できる。

以上のように本発明によれば、エンジンの給気温度の低温時において、新気とＥＧＲとの混合給気をエンジンに供給することにより、スロットル弁開度を過大開度に設定した状態であっても、給気中の新気の割合をＥＧＲガスによって小さくすることができて、エンジン出力を所定出力（目標出力）に抑えて運転でき、従って前記給気温度の低温時において、スロットル弁の通路が絞られていることによるポンプ損失を低減することが可能となり、該ポンプ損失によるエンジンの熱効率の低下を防止でき、結果としてかかる給気温度の低温運転時におけるエンジンの熱効率を上昇することができる。
また、前記給気温度の低温時において、ＥＧＲガスを混合気と混合してなる混合給気をエンジンに供給するので、スロットル弁開度を過大開度に設定した状態での混合給気中のＥＧＲガスの比率が大きくなってＮＯｘの低減効果が向上する。

以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例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く、単なる説明例にすぎない。

図１は本発明の第１実施例に係るＥＧＲシステムを備えたガスエンジンの全体構成図である。
図１において、１００はエンジン、１０１は該エンジンのシリンダ（この例では６シリンダ）、１１２はクランク軸、１０３は給気マニホールド、１１４は給気管、１０４は排気マニホールド、１０５は排気管である。１１１はエアクリーナ、１１３は燃料ガス供給管、１１０は前記燃料ガス供給管１１３からの燃料ガスをエアクリーナ１１１を経た空気と混合して希薄混合気を生成するミキサー、４は前記エンジン１００に供給される前記希薄混合気の流量を調整するスロットル弁、４１は該スロットル弁４を駆動するスロットル弁駆動装置である。

１０２は前記排気管１０５から分岐されて前記給気管１１４に接続され該排気管１０５を流れる排気ガスの一部（ＥＧＲガス）を給気管１１４に還流するＥＧＲ管である。該ＥＧＲ管１０２は、前記給気管１１４の前記スロットル弁４の下流部位に接続して（８は給気管１１４とＥＧＲ管との合流部）、該スロットル弁４を通った混合気に前記ＥＧＲガスを混合するようになっている。
該ＥＧＲ管１０２には前記ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ１０７、及び該ＥＧＲガスの流量を調整するＥＧＲ弁３が設置されている。３１は該ＥＧＲ弁３を駆動するＥＧＲ弁駆動装置である。

５は前記エンジン１００の回転数（エンジン回転数）を検出するエンジン回転数検出器、６は前記エンジン１００の負荷（エンジン負荷）を検出する負荷検出器、１は前記給気管１１４内における給気の温度を検出する給気温度センサである。
２はコントローラで、前記エンジン回転数検出器５からエンジン回転数の検出値、前記負荷検出器６からエンジン負荷の検出値、前記給気温度センサ１から給気温度の検出値が入力され、これらの検出値に基づき、後述する手段で前記スロットル弁４及びＥＧＲ弁３を開閉制御する。

かかる第１実施例において、燃料ガス供給管１１３を通して供給された燃料ガスは、ガスミキサー１１０においてエアクリーナ１１１を経た空気と混合されて希薄混合気となる。該希薄混合気からなる給気は給気管１１４を通り、前記スロットル弁４で流量制御される。
そして、前記コントローラ２の制御によって前記ＥＧＲ弁３が開かれると、ＥＧＲ管１０２を通ったＥＧＲガスが希薄混合気からなる給気と混合され、ＥＧＲガスと希薄混合気との混合ガスからなる給気が、給気マニホールド１０３を経て各シリンダ１０１内に供給され、該シリンダ１０１内において前記ＥＧＲガス混入の混合気による低ＮＯｘ燃焼が行われる。

かかる第１実施例においては、前記のように、該ＥＧＲ管１０２を前記給気管１１４の前記スロットル弁４の下流部位に接続して、該スロットル弁４を通った混合気にＥＧＲガスを混合するようになっており、スロットル弁下流にＥＧＲガスを混合した場合、吸気側との圧力差が大きいためＥＧＲガス量を十分確保できる。その結果、スロットル弁を過度な開度に設定でき、ポンプ損失を低減できる。

図２は本発明の第２実施例に係るＥＧＲシステムを備えたガスエンジンの全体構成図である。
この第２実施例においては、前記ＥＧＲ管１０２を前記ミキサー１１０の上流側の給気管（空気通路）１１４に接続し（７はＥＧＲ管１０２の接続部）、該給気管（空気通路）１１４中の空気に前記ＥＧＲガスを混合して前記ミキサー１１０に導入するように構成している。
その他の構成は図１に示す第１実施例と同様であり、これと同一の部材は同一の符号で示す。
かかる第２実施例によれば、ミキサー１１０の上流側で空気とＥＧＲガスとを混合してから、該ミキサー１１０にてＥＧＲガスが混合した空気と燃料ガスとを混合するので、ＥＧＲガスと燃料ガス−空気の混合気（新気）との混合時間を確保することが可能となり、給気の希薄化を促進できて、ＮＯｘの発生量を低減できる。

次に、前記第１実施例及び第２実施例におけるコントローラの制御動作について説明する。図３は前記第１実施例及び第２実施例におけるスロットル弁及びＥＧＲ弁の開度制御のブロック図である。
図３において、前記エンジン回転数検出器５からのエンジン回転数の検出値、前記負荷検出器６からのエンジン負荷の検出値、及び前記給気温度センサ１からの給気温度の検出値は、前記コントローラ２のＥＧＲ弁開度算出部２１及びスロットル弁開度算出部２３に入力される。

２４はスロットル弁開度設定部で、図４に示すように、エンジンの一定負荷Ｌ１以下の低負荷運転域において、前記スロットル弁４の開度をエンジン１００の運転特性により規定された基準開度Ｓ０よりもΔＳだけ大きい過大開度Ｓ１に設定している。
あるいは、スロットル弁開度設定部においては、図５に示すように、前記給気温度が一定温度Ｔｓ０以下の低温運転域において、前記スロットル弁４の開度をエンジン１００の運転特性により規定された基準開度Ｓ０よりも開度増加量ΔＳだけ大きい過大開度Ｓ１に設定してもよい。
尚、前記スロットル弁４の開度を全運転域において全開とすることも可能である。
２２はＥＧＲ弁開度設定部で、前記スロットル弁４の開度が前記過大開度Ｓ１にあるとき、前記ＥＧＲ弁３を開くとともに、該ＥＧＲ弁３の開度を、前記開度増加量ΔＳに相当する混合気流量に対応する流量のＥＧＲガスを前記給気中に供給可能な開度になるように設定している。

前記スロットル弁開度算出部２３においては、前記負荷検出器６からのエンジン負荷の検出値が前記スロットル弁開度設定部２４に設定された一定負荷Ｌ１以下のときは前記スロットル弁４の開度を基準開度Ｓ０よりも開度増加量ΔＳだけ大きい過大開度Ｓ１に増大してスロットル弁駆動装置３１に出力する。あるいは、前記給気温度センサ１からの給気温度の検出値が前記一定温度Ｔｓ０以下のとき前記スロットル弁４の開度を基準開度Ｓ０よりも開度増加量ΔＳだけ大きい過大開度Ｓ１に増大して前記スロットル弁駆動装置３１に出力してもよい。これにより、前記スロットル弁駆動装置３１はスロットル弁４の開度を前記過大開度Ｓ１にシフトせしめる。

一方、前記ＥＧＲ弁開度算出部２１においては、前記負荷検出器６からのエンジン負荷の検出値が前記スロットル弁開度設定部２４に設定された一定負荷Ｌ１以下となり、あるいは
給気温度の検出値が前記一定温度Ｔｓ０以下となって、前記スロットル弁４の開度を基準開度Ｓ０よりも開度増加量ΔＳだけ大きい過大開度Ｓ１に増大したとき、ＥＧＲ弁開度設定部２２に設定されたＥＧＲ弁３の開度、即ち前記スロットル弁４の開度増加量ΔＳ相当の混合気流量に対応する流量のＥＧＲガスを給気中に供給可能な開度、に該ＥＧＲ弁３の開度を設定して、ＥＧＲ弁駆動装置４１に出力する。これにより、前記ＥＧＲ弁駆動装置４１は、ＥＧＲ弁３の開度を前記ＥＧＲ弁開度設定部２２に設定された開度に保持せしめる。
前記以外の通常運転時には、前記エンジン回転数及びエンジン負荷の検出値に対応するスロットル弁開度及びＥＧＲ弁開度で以って運転される。

かかる第１，第２実施例によれば、エンジン１００の一定負荷Ｌ１以下の低負荷運転時、あるいは給気温度が一定温度Ｔｓ０以下の低温時に、コントローラ２のスロットル弁開度算出部（スロットル弁開度設定手段）２３によってスロットル弁４の開度をエンジンの運転特性により規定された基準開度Ｓ０よりも開度増加量ΔＳだけ大きい過大開度Ｓ１に設定するとともに、ＥＧＲ弁開度算出部（ＥＧＲ弁開度設定手段）によってＥＧＲ弁３を開放してＥＧＲガスを混合気とともにエンジン１００に供給せしめるように構成したので、図６のように、前記低負荷運転時あるいは給気温度の低温時においてエンジンが所定出力（目標出力）よりも過大な過大出力（スロットル弁４の開度Ａ１相当）となっているとき、スロットル弁４を基準開度Ａ２よりも大きい過大開度Ａ３あるいはＡ４に設定して実際の混合気量を規定混合気量よりも増加するとともに、ＥＧＲ弁３を開放しＥＧＲガスを前記混合気と混合してなる混合給気をエンジンに供給することにより、スロットル弁開度を前記過大開度に設定した状態であっても、該給気中の新気の割合をＥＧＲガスによって小さくできる。

これにより、前記低負荷運転時あるいは給気温度の低温時において、スロットル弁４開度を前記過大開度に設定してもエンジン出力を所定出力（目標出力）に保持して運転でき、従って前記低負荷運転時あるいは給気温度の低温時において、スロットル弁４の通路が絞られていることによるポンプ損失を、図４の過大出力相当損失Ｂ１からＢ３あるいはＢ４のように低減することが可能となり、該ポンプ損失によるエンジンの熱効率の低下を防止でき、結果としてかかる低負荷あるいは給気温度の低温運転時におけるエンジンの熱効率を図４のＣ１からＣ３あるいはＣ４のように上昇することができる。
また、前記低負荷運転時あるいは給気温度の低温時において、ＥＧＲガスを混合気と混合してなる新気とＥＧＲとの混合給気をエンジン１００に供給するので、スロットル弁４開度を過大開度に設定した状態での混合給気中のＥＧＲガスの比率が大きくなってＮＯｘの低減効果が向上する。

本発明によれば、エンジンの低負荷運転時や低温給気下の運転時におけるスロットル弁の絞りに伴うエンジンのポンプ損失を低減可能となり、該ポンプ損失による熱効率の低下を防止でき、結果としてかかる運転時における熱効率を上昇し得るＥＧＲシステム付きガスエンジンを提供できる。

本発明の第１実施例に係るＥＧＲシステムを備えたガスエンジンの全体構成図である。 本発明の第２実施例を示す図１対応図である。 前記第１，第２実施例における制御ブロック図である。 前記第１，第２実施例における作用説明図（その１）である。 前記第１，第２実施例における作用説明図（その１）である。 前記第１，第２実施例における効果を示す線図である

１ 給気温度センサ
２ コントローラ
３ ＥＧＲ弁
４ スロットル弁
５ エンジン回転数検出器
６ 負荷検出器
３１ ＥＧＲ弁駆動装置
４１ スロットル弁駆動装置
１００ エンジン
１０１ シリンダ
１０２ ＥＧＲ管
１０３ 給気マニホールド
１０４ 排気マニホールド
１０５ 排気管
１１３ 燃料ガス供給管
１１４ 給気管

Claims (4)

1. 燃料ガスと空気とをミキサーで混合し、この混合気をスロットル弁により開閉される給気通路を通してエンジンに供給して着火燃焼せしめるとともに、排気通路中の排気ガスから分流されたＥＧＲガス（排気再循環ガス）をＥＧＲ弁により開閉されるＥＧＲ通路を通してエンジンに供給可能に構成されたＥＧＲシステム付きガスエンジンの運転方法において、
   給気温度が一定温度を超える運転域のとき、前記エンジンの運転特性により規定された基準スロットル開度によって運転され、
   給気温度が前記一定温度以下の低温運転域のとき、前記スロットル弁の開度を前記エンジンの運転特性により規定された基準スロットル開度よりも開度増加量ΔＳだけ大きい過大開度に設定するとともに、該過大開度の期間中に前記ＥＧＲ弁を開いて前記開度増加量ΔＳに相当する混合気量に対応する流量のＥＧＲガスを前記混合気とともにエンジンに供給し、エンジンに供給される燃料ガスと空気の混合気中の空気量の割合を前記ＥＧＲガスによって低下してエンジン出力を目標出力に保持することを特徴とするＥＧＲシステム付きガスエンジンの運転方法。
2. 燃料ガスと空気とをミキサーで混合し、この混合気をスロットル弁により開閉される給気通路を通してエンジンに供給して着火燃焼せしめるとともに、排気通路中の排気ガスから分流されたＥＧＲガス（排気再循環ガス）をＥＧＲ弁により開閉されるＥＧＲ通路を通してエンジンに供給可能に構成されたＥＧＲシステム付きガスエンジンにおいて、
   前記エンジンの給気温度を検出する給気温度センサを設け、該給気温度センサの検出値が一定温度を超える運転域のとき、エンジンの運転特性により規定された基準スロットル弁開度によって運転するコントローラを備え、
   該コントローラは、該給気温度センサの検出値が前記一定温度以下の低温運転域のとき、前記エンジンの運転特性により規定された基準スロットル弁開度よりも開度増加量ΔＳだけ大きい過大開度に設定するスロットル弁開度設定手段と、該過大開度の期間中に前記ＥＧＲ弁を開いて前記開度増加量ΔＳに相当する混合気量に対応する流量のＥＧＲガスを給気中に供給可能な開度に設定するＥＧＲ弁開度設定手段とをそなえ、前記スロットル弁開度設定手段による過大開度設定期間中において前記ＥＧＲ弁開度設定手段により設定されたＥＧＲ弁開度によってＥＧＲガスを前記混合気とともに前記エンジンに供給せしめて、エンジンに供給される燃料ガスと空気の混合気中の空気量の割合をＥＧＲガスによって低下してエンジン出力を目標出力に保持可能に構成したことを特徴とするＥＧＲシステム付きガスエンジン。
3. 前記ＥＧＲ通路を前記給気通路の前記スロットル弁の下流部位に接続して、該スロットル弁を通った混合気に前記ＥＧＲガスを混合するように構成したことを特徴とする請求項２記載のＥＧＲシステム付きガスエンジン。
4. 前記ＥＧＲ通路を前記ミキサーの上流側の空気通路に接続し、該空気通路中の空気に前記ＥＧＲガスを混合して前記ミキサーに導入するように構成したことを特徴とする請求項２記載のＥＧＲシステム付きガスエンジン。

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