气体发动机 【技术领域】
本发明涉及恰当地维持排气气体中的 NOx 浓度的气体发动机。背景技术 以往，气体发动机作为将空气和燃料气体的混合气向燃烧室供给的发动机已被 公知。 另外，通过将气体发动机的空燃比控制在稀薄界限，来实现降低排气气体中的 NOx 浓度的空燃比控制也被公知。
日本特开 2008-038729 号公报公开的发动机做成具备稀薄燃烧传感器 (Lean burn sensor)，认知由稀薄燃烧传感器测量的氧浓度，进行空燃比控制，降低排气气体中的 NOx 浓度的结构。
但是，日本特开 2008-038729 号公报公开的发动机在燃料气体的组成发生了变 化的情况下，不能认知排气气体中的 NOx 浓度的变动，因此，不能恰当地维持 NOx 浓 度，这点不利。
本发明是借鉴上述那样的状况做出的发明，提供一种能够与燃料气体组成无关 地恰当地维持排气气体中的 NOx 浓度的气体发动机。
发明内容 本发明的气体发动机是具有调整燃料气体供给量的燃料气体供给量调整构件、 检测发动机转速的发动机转速检测构件、检测发动机负载的发动机负载检测构件、算出 恰当的燃料气体供给量，为供给该恰当的燃料气体供给量而对上述燃料气体供给量调整 构件进行调整的控制构件的气体发动机，上述控制构件至少认知发动机转速和发动机负 载，算出一个燃烧循环的燃烧行程的燃烧室的温度差，根据上述温度差，算出排气气体 中的 NOx 浓度，根据上述 NOx 浓度，算出恰当的燃料气体供给量，为供给上述恰当的燃 料气体供给量而对上述燃料气体供给量调整构件进行调整。
在本发明的气体发动机中，优选具备检测混合气温度的混合气温度检测构件、 检测混合气压力的混合气压力检测构件、检测节气门开度的节气门开度检测构件，上述 控制构件至少认知发动机转速、发动机负载、混合气温度、混合气压力、节气门开度， 算出一个燃烧循环的燃烧行程的燃烧室的温度差。
在本发明的气体发动机中，优选具备检测燃料气体温度的燃料气体温度检测构 件、检测燃料气体压力的燃料气体压力检测构件、检测空气质量流量的空气质量流量检 测构件、检测上述燃料气体供给量调整构件的燃料气体供给量的燃料气体供给量检测构 件，上述控制构件至少认知发动机转速、发动机负载、燃料气体温度、燃料气体压力、 空气质量流量，燃料气体供给量，算出一个燃烧循环的燃烧行程的燃烧室的温度差。
在本发明的气体发动机中，优选具备检测混合气流量的混合气流量检测构件， 上述控制构件至少认知发动机转速、发动机负载、混合气流量，算出一个燃烧循环的燃 烧行程的燃烧室的温度差。
在本发明的气体发动机中，优选具备检测混合气温度的混合气温度检测构件、 检测混合气压力的混合气压力检测构件、检测节气门开度的节气门开度检测构件、检测 汽缸内的缸内压力的缸内压力检测构件、检测排气气体温度的排气气体温度检测构件， 上述控制构件替代根据上述温度差算出排气气体中的 NOx 浓度的情况，至少认知发动机 转速、发动机负载、混合气温度、混合气压力、节气门开度、汽缸的缸内压力、排气气 体温度，算出一个燃烧循环的燃烧行程的燃烧室的最高温度，根据上述该最高温度，算 出排气气体中的 NOx 浓度。
发明效果
根据本发明的气体发动机，能够与燃料气体组成无关地恰当地维持排气气体中 的 NOx 浓度。 附图说明
图 1 是表示有关实施方式 1 的气体发动机的结构的结构图。 图 2 是同样表示空燃比控制的流程图。 图 3 是表示有关实施方式 2 的气体发动机的结构的结构图。 图 4 是同样表示空燃比控制的流程图。 图 5 是表示有关实施方式 3 的气体发动机的结构的结构图。 图 6 是同样表示空燃比控制的流程图。 图 7 是表示有关实施方式 4 的气体发动机的结构的结构图。 图 8 是同样表示空燃比控制的流程图。具体实施方式
下面，作为本发明的气体发动机，说明四个实施方式。 另外，实施方式 1 ～ 3 是根据一个燃烧循环的燃烧行程的燃烧室的温度差，算出 NOx 浓度的气体发动机 101、 102、103，算出 NOx 浓度的方法分别不同。 另外，实施方式 4 是根据一个燃烧循环的燃 烧行程的燃烧室的最高温度，算出 NOx 浓度的气体发动机 104。
[ 实施方式 1]
如图 1 所示，气体发动机 101 具备发动机主体 10、作为控制构件的 Electronic Control Unit( 下称 ECU)90。
发动机主体 10 通过具备供气经路、排气经路、燃料气体供给经路而构成。 发动 机主体 10 是使用天然气等气体状的燃料气体的三汽缸的气体发动机，包括图示的汽缸在 内，具备三个汽缸。 本实施方式中，发动机主体 10 是搭载于发动机驱动式热泵上的发动 机。
供气经路具备供给将从外部获取的空气和燃料气体混合而生成的混合气的供气 管 20、使燃料气体供给经路内的燃料气体和空气之间产生差压的文丘里管 21、调整混合 气的供给量的节气门阀 22。
排气经路具备将通过混合气在后述的燃烧室 15 燃烧而生成的排气气体向发动机 主体 10 的外部排气的气体中的排气管 30。
燃料气体供给经路具备向供气经路供给燃料气体的燃料气体供给管 40、对通过该燃料气体供给管 40 的燃料气体量、即，含在混合气中的燃料气体量进行调整的作为燃 料气体供给量调整构件的燃料气体供给量调整阀 45。
发动机主体具备作为用于使混合气燃烧的空间的燃烧室 15、在缸盖 11 中通过进 行开闭动作，将供气管 20 和燃烧室 15 连通或隔断的供气阀 12、为使供给到燃烧室 15 的 混合气燃烧而产生火花的火花塞 14、通过供给到燃烧室 15 的混合气燃烧、膨胀，在上下 方向往复的活塞 16、因活塞 16 的往复运动而进行旋转运动的曲轴 17、在缸盖 11 中通过 进行开闭动作，将排气管 30 和燃烧室 15 连通或隔断的排气阀 13。
ECU90 与后述的各传感器，即，发动机转速传感器 71、发动机扭矩传感器 72、 混合气温度传感器 73、混合气压力传感器 74、节气门开度传感器 75、燃料气体供给量调 整阀 45 连接。
作为发动机转速检测构件的发动机转速传感器 71 设置在曲轴 17 附近，是能够计 量发动机转速 Ne 的传感器。
作为发动机负载检测构件的发动机扭矩传感器 72 设置在曲轴 17 附近，是能够计 量作为发动机负载的发动机扭矩 Tq 的传感器。
作为混合气温度检测构件的混合气温度传感器 73 设置在供气管 20 上，是能够计 量混合气温度 Tin 的传感器。 作为混合气压力检测构件的混合气压力传感器 74 设置在供气管 20 上，是能够计 量混合气压力 Pin 的传感器。
作为节气门开度检测构件的节气门开度传感器 75 是能够计量根据发动机转速 Ne 而调整的节气门开度 F 的传感器。 另外，节气门开度检测构件也可以是节气门位置传感 器。
ECU90 具备控制器 50 和存储装置 60。
控制器 50 具有根据一个燃烧循环的燃烧行程的燃烧室 15 的温度差 ΔT，算出排 气气体中的 NOx 浓度 S 的功能。 另外，控制器 50 具有调整燃料气体供给量调整阀 45 的 开度，进行空燃比控制的功能。
如图 2 所示，在 S101 中，控制器 50 通过发动机转速传感器 71 读入发动机转速 Ne，通过发动机扭矩传感器 72 读入发动机扭矩 Tq，通过混合气温度传感器 73 读入混合 气温度 Tin，通过混合气压力传感器 74 读入混合气压力 Pin，通过节气门开度传感器 75 读 入节气门开度 F。
在 S102 中，控制器 50 从节气门开度 F 通过体积效率图谱，算出混合气的体积效 率 ηv。 这里，可知在混合气中，节气门开度 F 和体积效率 ηv 与燃料气体组成无关， 而具有相关性。 因此，体积效率图谱作为表示节气门开度 F 和体积效率 ηv 的相关性的 二维图谱，预先被存储在存储装置 60。
在 S103 中，控制器 50 从混合气温度 Tin、混合气压力 Pin、体积效率 ηv、行程 容积 Vs、发动机转速 Ne，使用 (1-1)，算出混合气流量 Gmixv。
[ 算式 1]
Gmixv[Nm3/min]Tin[K]
Pin[kpa]
ηv
Vs[m3]
Ne[min-1]
另外，行程容积 Vs 是指发动机主体 10 的活塞 16 从上止点运动到下止点的行程 的容积。
在 S104 中，控制器 50 从发动机转速 Ne、发动机扭矩 Tq，使用 (1-2)，算出发 动机输出 P。
[ 算式 2]
P[kW] Ne[min-1] Tq[N · m]另外，若设置了能够计量发动机驱动式热泵的压缩机的排出压力 ( 高压 HP) 的 传感器，则控制器 50 还能够将制冷剂的压缩效率以及机械效率添加到高压 HP，算出发动 机负荷还有发动机输出 P。
在 S105 中， 控 制 器 50 从 发 动 机 输 出 P、 混 合 气 密 度 ρmix、 混 合 气 流 量 Gmixv，使用 (1-5)，算出温度差 ΔT。 这里， (1-5) 从 (1-3) 和 (1-4) 算出。
这里，温度差 ΔT 是一个燃烧循环的燃烧行程的燃烧室 15 的温度差。 可知温度 差 ΔT 与后述的 NOx 浓度 S 具有相关性。 另外，H 表示每个单位时间的缸内投入热量， Qmixm 表示每个单位时间的缸内投入混合气热量。
[ 算式 3]
H ＝ Qmixm×Cv×ΔT...(1-3)
H[kW]
Qmixm[kg/sec]
Cv[kJ/kg · K]
ΔT[K]
P[kW]
ηth
ρmix[kg/Nm3]
Gmixv[Nm3/min]
另外，热效率 ηth 与燃料气体组成无关，为恒定。 另外，在本实施方式中，定 容比热 Cv、混合气密度 ρmix 恒定。 另外，因为定容比热 Cv、混合气密度 ρmix 与燃
料气体组成无关，与混合气温度 Tmix 具有相关性，所以，也可以预先将该相关性存储在 存储装置 60，根据混合气温度 Tmix 算出。
在 S106 中，控制器 50 从发动机转速 Ne、发动机扭矩 Tq，使用演算系数图谱， 算出后述的演算系数 a、 b、 c。
在 S107 中，控制器 50 从温度差 ΔT、演算系数 a、b、c，使用 (1-6)，算出 NOx 浓度 S。
[ 算式 4]
S ＝ a×ΔT3+b×ΔT2-c×ΔT+d...(1-6)
在 S108 中，控制器 50 从发动机转速 Ne、发动机扭矩 Tq，使用目标 NOx 浓度图 谱，算出目标 NOx 浓度 Sm。 这里，目标 NOx 浓度图谱作为表示发动机转速 Ne 和发动 机扭矩 Tq 及目标 NOx 浓度 Sm 的相关性的三维图谱，预先被存储在存储装置 60。
在 S109 中，控制器 50 算出作为目标 NOx 浓度 Sm 和 NOx 浓度 S 的偏差的 NOx 浓度偏差 ΔS。
在 S110 中，控制器 50 根据 NOx 浓度偏差 ΔS，调整燃料气体供给量调整阀 45 的开度。 通过做成这样的结构，能够与燃料气体组成无关地恰当地维持排气气体中的 NOx 浓度。 另外，与使用 NOx 传感器的情况相比，能够算出廉价且具有耐久性的 NOx 浓 度。 再有，即使在排气气体中的 NOx 浓度和发动机效率不对应的情况下，也能够应用。
[ 实施方式 2]
如图 3 所示，气体发动机 102 的发动机主体 10 与上述的实施方式 1 的发动机主 体 10 相同，因此，省略说明。
作为发动机转速检测构件的发动机转速传感器 71 设置在曲轴 17 附近，是能够计 量发动机转速 Ne 的传感器。
作为发动机负载检测构件的发动机扭矩传感器 72 设置在曲轴 17 附近，是能够计 量作为发动机负载的发动机扭矩 Tq 的传感器。
作为燃料气体温度检测构件的燃料气体温度传感器 76 设置在燃料气体供给管 40 上，是能够计量燃料气体温度 Tg 的传感器。
作为燃料气体压力检测构件的燃料气体压力传感器 77 设置在燃料气体供给管 40 上，是能够计量燃料气体压力 Pg 的传感器。
作为空气质量流量检测构件的空气质量流量传感器 78 设置在燃料气体供给管 40 所合流的上游侧的供气管 20 上，是能够计量空气质量流量 Gin 的传感器。
ECU90 具备控制器 50 和存储装置 60。
控制器 50 具有根据一个燃烧循环的燃烧行程的燃烧室 15 的温度差 ΔT，算出排 气气体中的 NOx 浓度 S 的功能。 另外，控制器 50 具有调整燃料气体供给量调整阀 45 的 开度，进行空燃比控制的功能。
如图 4 所示，在 S201 中，控制器 50 通过发动机转速传感器 71 读入发动机转速 Ne，通过发动机扭矩传感器 72 读入发动机扭矩 Tq，通过燃料气体温度传感器 76 读入燃 料气体温度 Tg，通过燃料气体压力传感器 77 读入燃料气体压力 Pg，通过空气质量流量传 感器 78 读入空气质量流量 Gin。
另外，控制器 50 读入燃料气体供给量调整阀 45 的开度 Fg。
在 S202 中，控制器 50 从空气质量流量 Gin、开度 Fg，根据燃料气体流量图谱， 算出燃料气体流量 Gg。 这里，燃料气体流量图谱作为表示空气质量流量 Gin 和开度 Fg 及燃料气体流量 Gg 的相关性的三维图谱，预先被存储在存储装置 60。
在 S203 中，控制器 50 从燃料气体温度 Tg、燃料气体压力 Pg，使用 (2-1)，将 燃料气体流量 Gg 换算成作为标准状态的燃料气体流量的燃料气体流量 ( 标准 )Ggstd。
[ 算式 5]
Ggstd[Nm3/min]
Gg[Nm3/min]
Tg[K]
Pg[kpa]
在 S204 中，控制器 50 从空气质量流量 Gin、作为空气的密度的空气密度 ρin， 燃料气体流量 ( 标准 )Ggstd，使用 (2-2)，算出混合气流量 Gmixv。
[ 算式 6]
Gmixv[Nm3/min]
Gin[kg/min]
ρin[kg/Nm3]
Ggstd[Nm3/min]
即，相对于在实施方式 1 中，从混合气温度 Tin、混合气压力 Pin 算出混合气流 量 Gmixv，在本实施方式中，从燃料气体温度 Tg、燃料气体压力 Pg、空气质量流量 Gin 算出混合气流量 Gmixv，这点不同。
S205 ～ S210 与实施方式 1 的 S104 ～ S109 相同，因此，省略说明。
在 S211 中，控制器 50 根据 NOx 浓度偏差 ΔS，调整燃料气体供给量调整阀 45 的开度。
通过做成这样的结构，能够与燃料气体组成无关地恰当地维持排气气体中的 NOx 浓度。 另外，与使用 NOx 传感器的情况相比，能够实现廉价且具有耐久性的 NOx 浓度算出构件 52。 再有，即使在排气气体中的 NOx 浓度和发动机效率不对应的情况下， 也能够应用。 还有，与实施方式 1 的 NOx 浓度的算出方法相比，能够高精度地算出 NOx
浓度。 [ 实施方式 3]
如图 5 所示，气体发动机 103 的发动机主体 10 与上述的实施方式 1 的发动机主 体 10 相同，因此，省略说明。
作为发动机转速检测构件的发动机转速传感器 71 设置在曲轴 17 附近，是能够计 量发动机转速 Ne 的传感器。
作为发动机负载检测构件的发动机扭矩传感器 72 设置在曲轴 17 附近，是能够计
量作为发动机负载的发动机扭矩 Tq 的传感器。
作为混合气流量检测构件的混合气流量传感器 79 设置在节气门阀 22 的下游侧的 供气管 20 上，是能够计量混合气流量 Gmixv 的传感器。
ECU90 具备控制器 50 和存储装置 60。
控制器 50 具有根据一个燃烧循环的燃烧行程的燃烧室 15 的温度差 ΔT，算出排 气气体中的 NOx 浓度 S 的功能。 另外，控制器 50 具有调整燃料气体供给量调整阀 45 的 开度，进行空燃比控制的功能。
如图 6 所示，在 S301 中，控制器 50 通过发动机转速传感器 71 读入发动机转速 Ne，通过发动机扭矩传感器 72 读入发动机扭矩 Tq，通过混合气流量传感器 79 读入混合 气流量 Gmixv。
S302 ～ S307 与实施方式 2 的 S205 ～ S210 相同，因此，省略说明。 但是，相 对于在实施方式 2 中，从燃料气体温度 Tg、燃料气体压力 Pg 等算出混合气流量 Gmixv， 在本实施方式中，由混合气流量传感器 79 直接检测混合气流量 Gmixv，这点不同。
在 S308 中，控制器 50 根据 NOx 浓度偏差 ΔS，调整燃料气体供给量调整阀 45 的开度。 通过做成这样的结构，能够与燃料气体组成无关地恰当地维持排气气体中的 NOx 浓度。 另外，与使用 NOx 传感器的情况相比，能够实现廉价且具有耐久性的 NOx 浓度算出构件。 再有，即使在排气气体中的 NOx 浓度和发动机效率不对应的情况下，也 能够应用。 还有，与实施方式 1 以及 2 的 NOx 浓度的算出方法相比，能够高精度地算出 NOx 浓度。
[ 实施方式 4]
如图 7 所示，气体发动机 104 的发动机主体 10 与上述的实施方式 1 的发动机主 体 10 相同，因此，省略说明。
作为发动机转速检测构件的发动机转速传感器 81 设置在曲轴 17 附近，是能够计 量发动机转速 Ne 的传感器。 另外，发动机转速传感器 81 是计量与曲轴 17 同步旋转的齿 轮的每个规定角度的脉冲信号，能够计量发动机转速 Ne 时的曲柄角 θ 的传感器。
作为发动机负载检测构件的发动机扭矩传感器 72 设置在曲轴 17 附近，是能够计 量作为发动机负载的发动机扭矩 Tq 的传感器。
作为混合气温度检测构件的混合气温度传感器 73 设置在供气管 20 上，是能够计 量混合气温度 Tin 的传感器。
作为混合气压力检测构件的混合气压力传感器 74 设置在供气管 20 上，是能够计 量混合气压力 Pin 的传感器。
作为节气门开度检测构件的节气门开度传感器 75 是能够检测根据发动机转速 Ne 而调整的节气门开度 F 的传感器。
作为缸内压力检测构件的缸内压力传感器 82 是能够计量作为汽缸内的缸内压力 的每个曲柄角 θ 的燃烧室 15 的缸内平均压力 Pcyl(θ) 的传感器。
作为排气气体温度检测构件的排气气体温度传感器 83 设置在排气管 30 上，是能 够计量作为排气气体温度的残留气体温度 TR 的传感器。
ECU90 具备控制器 50 和存储装置 60。
控制器 50 具有根据一个燃烧循环的燃烧行程的燃烧室 15 的缸内气体最高温度 Tcylmax，算出 NOx 浓度 S 的功能。 另外，控制器 50 具有调整燃料气体供给量调整阀 45 的开度，进行空燃比控制的功能。
如图 8 所示，在 S401 中，控制器 50 通过发动机转速传感器 81 读入发动机转速 Ne 以及曲柄角 θ，通过发动机扭矩传感器 72 读入发动机扭矩 Tq，通过混合气温度传感 器 73 读入混合气温度 Tin，通过混合气压力传感器 74 读入混合气压力 Pin，通过节气门开 度传感器 75 读入节气门开度 F，通过缸内压力传感器 82 读入缸内平均压力 Pcyl(θ)。
S402 ～ S404 与实施方式 1 的 S102 ～ S104 相同，因此，省略说明。
在 S405 中， 控 制 器 50 从 缸 内 平 均 温 度 Tcyl(θ) 算 出 缸 内 气 体 最 高 温 度 Tcylmax。 缸内平均温度 Tcyl(θ) 从曲柄角 (θ) 的缸内平均压力 Pcyl(θ)、缸内容积 Vcyl(θ)、缸内动作气体的总摩尔数 mall，使用 (4-1) 算出。
[ 算式 7]
Tcyl(θ)[K]
Pcyl(θ)[Pa]
Vcyl(θ)[m3]
mall[kmol]
此时，缸内动作气体的总摩尔数 mall 通过 (4-2)，由作为混合气的成分的新气 的摩尔数 mair 和残留气体的摩尔数 mR 算出。 另外，新气的摩尔数 mair 从混合气流量 Gmixv 使用 (4-3) 算出。 另一方面，残留气体的摩尔数 mR 从水蒸气、氧、二氧化碳以 及氮的气体成分算出。
[ 算式 8]
mall ＝ mair+mR...(4-2)
mair[kmol] mR[kmol]再 有， 若 残 留 气 体 中 的 水 蒸 气、 氧、 二 氧 化 碳 以 及 氮 的 摩 尔 比 为 3 ∶ 1 ∶ 3 ∶ 3，则各自的气体成分从燃烧室容积 Vc、顶部重叠 (overlappingtop) 时的缸 内压力 Pot、残留气体温度 TR，使用 (4-5-1) ～ (4-5-4) 算出。
[ 算式 9]
Pot[Pa] Vc[m3] TR[K] 此时，燃烧室容积 Vc 从汽缸直径 D、曲柄半径 R、压缩比 ε，使用 (4-6) 算 [ 算式 10]出。
D[m]
R[m]
ε
另一方面，上述的 (4-1) 中的曲柄角 θ 时的缸内容积 Vcyl(θ) 从汽缸直径 D、 曲柄半径 R、压缩比 ε，使用 (4-7) 算出。
[ 算式 11]
θr[rad]
D[m]
R[m]
ε
L[m]
S406 与实施方式 1 的 S106 相同，因此，省略说明。
在 S407 中， 控 制 器 50 替 代 S107 中 的 温 度 差 ΔT， 使 用 缸 内 气 体 最 高 温 度 Tcylmax，从演算系数 a、 b、 c 算出目标 NOx 浓度 Sm。
S408、 S409 与实施方式 1 的 S108、 S109 相同，因此，省略说明。
在 S410 中，控制器 50 根据 NOx 浓度偏差 ΔS，调整燃料气体供给量调整阀 45 的开度。
通过做成这样的结构，能够与燃料气体组成无关地恰当地维持排气气体中的 NOx 浓度。 另外，与使用 NOx 传感器的情况相比，能够实现廉价且具有耐久性的 NOx 浓度的算出。 再有，即使在排气气体中的 NOx 浓度和发动机效率不对应的情况下，也能
够应用。 还有，与实施方式 1、2 以及 3 的 NOx 浓度的算出方法相比，能够高精度地算 出 NOx 浓度。
另外，上述的各实施方式中的空燃比控制构件 55 的流程是各汽缸的流程，空燃 比控制是将各汽缸的温度差 ΔT 或缸内气体最高温度 Tcylmax 平均化来执行的。
产业上利用的可能性
本发明可利用于气体发动机。