JP6485129B2 - Natural gas engine and operation method thereof - Google Patents
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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かかわらず運転性能を維持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。 The present invention relates to a natural gas engine and an operation method thereof, and more particularly, to a natural gas engine capable of maintaining an operation performance regardless of a change in composition of natural gas and an operation method thereof.
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)。 Conventionally, a natural gas engine using compressed natural gas (CNG) as a fuel has been proposed as an internal combustion engine mounted on a vehicle or the like. Generally, this natural gas engine uses a spark ignition system in which an air-fuel mixture of CNG decompressed gas and intake air is ignited by a spark of a spark plug and burned (see, for example, Patent Document 1).
CNGの原料となる天然ガスは、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。 It is known that the composition of natural gas, which is a raw material for CNG, varies depending on the place and time of production. Therefore, in Japan, the composition of natural gas is adjusted by refining or the like so that CNG can be used in general households. On the other hand, since the use of CNG is almost limited to vehicles overseas, CNG made of natural gas that is normally produced is used as fuel for natural gas engines.
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、同じ量のCNGを使用した場合でも、混合気が燃焼する際に発生する熱エネルギーが低下してしまい、天然ガスエンジンの運転性能に影響を及ぼすおそれがある。 However, if this CNG contains a large amount of non-combustible substances such as nitrogen and carbon dioxide, even when the same amount of CNG is used, the thermal energy generated when the air-fuel mixture burns decreases, There is a risk of affecting the operating performance of natural gas engines.
本発明の目的は、天然ガスの組成変化にかかわらず運転性能を維持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。 An object of the present invention is to provide a natural gas engine capable of maintaining the operation performance regardless of the change in the composition of the natural gas, and an operation method thereof.
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火花で点火して燃焼させる点火プラグと、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、前記制御手段は、前記ラムダセンサの検出値で前記インジェクタからの前記天然ガスの供給量を増減させるとともに、前記エンジン回転数及びエンジン負荷と予め設定された第1のマップデータとを参照して燃料増量比を決定し、その決定された燃料増量比及び前記エンジン負荷と予め設定された第2のマップデータとから補正値を決定し、その補正値で前記目標λ値を補正する制御を行うことを特徴とするものである。 The natural gas engine of the present invention that achieves the above object is characterized in that an injector for supplying natural gas to an intake passage provided with a throttle for adjusting an air flow rate, and an air-fuel mixture of the air and the natural gas are ignited by a spark. And a lambda sensor installed in the exhaust passage, and a control means, the control means based on the detected value of the lambda sensor based on the engine speed and engine load of the natural gas engine. In the natural gas engine that controls the supply amount of the natural gas from the injector so as to coincide with the target λ value determined in the above, the control means supplies the natural gas from the injector based on a detection value of the lambda sensor. Increase or decrease the amount, and increase the fuel with reference to the engine speed and the engine load and preset first map data And determining a correction value from the determined fuel increase ratio, the engine load, and preset second map data, and performing control to correct the target λ value by the correction value. It is what.
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、前記燃焼ガスのλ値で前記天然ガスの供給量を増減させるとともに、前記エンジン回転数及びエンジン負荷と予め設定された第1のマップデータとを参照して燃料増量比を決定し、その決定された燃料増量比及び前記エンジン負荷と予め設定された第2のマップデータとから補正値を決定し、その補正値で前記目標λ値を補正することを特徴とするものである。 Further, the operating method of the natural gas engine of the present invention for achieving the above object is to ignite and burn a mixture of natural gas and air sucked into a cylinder with a spark, and to change the combustion gas of the mixture. In a method of operating a natural gas engine in which the supply amount of the natural gas is controlled so that a λ value matches a target λ value determined based on an engine speed and an engine load, the natural gas engine is operated with the λ value of the combustion gas. The fuel supply amount is increased / decreased, the fuel increase ratio is determined with reference to the engine speed and the engine load and the first map data set in advance, and the determined fuel increase ratio and the engine load are determined. A correction value is determined from preset second map data, and the target λ value is corrected with the correction value.
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、気筒内での混合気の燃焼で発生する熱エネルギーが低下したときには、天然ガスの供給量を増加させるとともに、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、混合気をリッチ化して燃焼の熱エネルギーを増加させるようにしたので、天然ガスの組成にかかわらず運転性能を維持することができる。 According to the natural gas engine and the operating method of the present invention, when the thermal energy generated by the combustion of the air-fuel mixture in the cylinder is reduced due to the change in the composition of the natural gas, the supply amount of the natural gas is increased. At the same time, by reducing the target λ value related to operation to an appropriate level, the mixture is enriched and the thermal energy of combustion is increased, so that the operation performance can be maintained regardless of the composition of natural gas. it can.
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。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows a natural gas engine according to an embodiment of the present invention.
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。
In this natural gas engine, the air A drawn into the intake passage 2 from the
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。
The
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。
After the air-
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。
The
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。
In the operation of this natural gas engine, the excess air ratio (λ value) of the
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。
The engine speed is measured by a
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。
FIG. 2 shows an example of map data for determining the target λ value. In this map data, the target λ value is increased as the engine speed and the engine load increase, and the air-
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。
Such a natural gas engine operating method will be described below as a function of the
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、インジェクタ17からの天然ガス8の供給量を決定して運転する(S10)。その一方で、ECU27は、回転センサ30の検出値からエンジン回転数Rを測定するとともに、圧力センサ31と吸気温度センサ32の検出値からエンジン負荷Lを推定する(S20)。
The ECU 27 operates by determining the supply amount of the
そして、エンジン回転数R及びエンジン負荷Lと、予め設定された基準となる組成を有する天然ガス8で適合した第1のマップデータである燃料補正データとを参照して(S30)、燃料増量比Zを決定する(S40)。
Then, referring to the engine speed R and the engine load L and the fuel correction data which is the first map data adapted with the
図4に、燃料補正データの例を示す。燃料増量比は、基準となる組成を有する天然ガス8(例えば、国内で使用される天然ガス)を使用した場合のエンジン性能を得るために必要な天然ガス8の供給量の増量分であり、1.0超となる場合には窒素や二酸化炭素などの不燃物質の存在による熱エネルギーの低下をカバーする。この例では、燃料増量比は、エンジン回転数及びエンジン負荷に対してそれぞれ正の相関となるように設定されている。
FIG. 4 shows an example of fuel correction data. The fuel increase ratio is an increase in the supply amount of
次に、ECU27は、エンジン負荷L及び燃料増量比Zと、予め設定された第2のマップデータとから補正値Hを決定する(S50)。
Next, the
そして、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値から補正値Hを差し引く補正を行って(S60)、ステップ10に戻る。
Then, correction is performed by subtracting the correction value H from the target λ value corresponding to the operating condition in the map data shown in FIG. 2 (S60), and the process returns to
図5に、第2のマップデータの例を示す。各補正値は、基準となる組成を有する天然ガス8で目標λ値が低下しすぎて気筒17内で失火が発生しないように、予め実験等に基づき決定されている。この例では、補正値は燃料増量比及びエンジン負荷の両者に対して正の相関関係となるように設定されている。従って、天然ガスエンジンの高回転・高負荷運転時では、図2の各目標λ値は小さくなるように補正されて、混合気9はリッチ化されるようになる。
FIG. 5 shows an example of the second map data. Each correction value is determined based on an experiment or the like in advance so that the target λ value is too low in the
このように、天然ガス8の組成変化により、気筒12内での混合気9の燃焼で発生する熱エネルギーが低下したときには、天然ガス8の供給量を増加させるとともに、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をリッチ化して燃焼の熱エネルギーを増加させるようにしたので、天然ガス8の組成変化にかかわらず運転性能を維持することができるのである。
Thus, when the thermal energy generated by the combustion of the air-
2 吸気通路
6 スロットル
7 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
2
28 Lambda
Claims (2)
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、
前記制御手段は、前記ラムダセンサの検出値で前記インジェクタからの前記天然ガスの供給量を増減させるとともに、前記エンジン回転数及びエンジン負荷と予め設定された第1のマップデータとを参照して燃料増量比を決定し、その決定された燃料増量比及び前記エンジン負荷と予め設定された第2のマップデータとから補正値を決定し、その補正値で前記目標λ値を補正する制御を行うことを特徴とする天然ガスエンジン。 An injector for supplying natural gas to an intake passage having a throttle for adjusting an air flow rate, an ignition plug for igniting and burning an air-fuel mixture of the air and the natural gas, and an exhaust passage A lambda sensor and control means,
The control means controls the supply amount of natural gas from the injector so that the detected value of the lambda sensor matches a target λ value determined based on the engine speed and engine load of the natural gas engine. In natural gas engines,
The control means increases or decreases the supply amount of the natural gas from the injector by a detection value of the lambda sensor, and refers to the engine speed and engine load and preset first map data as a fuel. An increase ratio is determined, a correction value is determined from the determined fuel increase ratio, the engine load, and preset second map data, and control is performed to correct the target λ value with the correction value. Natural gas engine characterized by
前記燃焼ガスのλ値で前記天然ガスの供給量を増減させるとともに、前記エンジン回転数及びエンジン負荷と予め設定された第1のマップデータとを参照して燃料増量比を決定し、
その決定された燃料増量比及び前記エンジン負荷と予め設定された第2のマップデータとから補正値を決定し、その補正値で前記目標λ値を補正することを特徴とする天然ガスエンジンの運転方法。 The mixture of natural gas and air sucked into the cylinder is ignited by sparks and burned, and the λ value of the combustion gas of the mixture is determined based on the engine speed and the engine load. In the operation method of the natural gas engine for controlling the supply amount of the natural gas so as to coincide with
While increasing or decreasing the supply amount of the natural gas by the λ value of the combustion gas, the fuel increase ratio is determined with reference to the engine speed and engine load and preset first map data,
Operation of a natural gas engine, wherein a correction value is determined from the determined fuel increase ratio and the engine load and preset second map data, and the target λ value is corrected with the correction value Method.
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