特開 2023-120517 燃焼ガス分析システム及び燃焼ガス分析方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023120517

(43)【公開日】2023-08-30

(54)【発明の名称】燃焼ガス分析システム及び燃焼ガス分析方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 1/00 20060101AFI20230823BHJP

   G01M 15/10 20060101ALI20230823BHJP

   G01N 1/22 20060101ALI20230823BHJP

【ＦＩ】

G01N1/00 101S

G01M15/10

G01N1/22 G

G01N1/00 101R

【審査請求】未請求

【請求項の数】15

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022023447

(22)【出願日】2022-02-18

(71)【出願人】

【識別番号】501204525

【氏名又は名称】国立研究開発法人 海上・港湾・航空技術研究所

(74)【代理人】

【識別番号】110001210

【氏名又は名称】弁理士法人ＹＫＩ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ボンダレンコ オレクシー

(72)【発明者】

【氏名】福田 哲吾

【テーマコード（参考）】

2G052

2G087

【Ｆターム（参考）】

2G052AA02

2G052AB02

2G052AB06

2G052AC20

2G052AD02

2G052AD42

2G052BA03

2G052BA17

2G052CA04

2G052CA35

2G052HC04

2G052HC10

2G052HC32

2G087AA01

2G087AA15

2G087BB28

2G087CC19

2G087DD01

2G087EE11

(57)【要約】

【課題】燃焼ガスの酸素濃度と二酸化炭素濃度を高い精度で分析し、２サイクル式の内燃機関における燃焼状態や性能を評価することを可能にする。
【解決手段】内燃機関１０２のシリンダと排気レシーバ１０４との間の接続管１６に設けたサンプリングポイントと、サンプリングポイントに接続されるサンプリング管２０と、サンプリング管２０に設けたサンプリング弁２２と、内燃機関１０２の作動状態を検出するピストンポジションセンサ４０、クランク角度エンコーダ４２と、当該検出結果に応じて所定のタイミングでサンプリング弁２２を開閉制御する制御コンピュータ３６と、サンプリング管２０の下流端に設けたガス分析器３２とを備えた燃焼ガス分析システム１００とする。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

２サイクル式の内燃機関の燃焼ガスを分析する燃焼ガス分析システムであって、
前記内燃機関のシリンダと排気レシーバとの間の接続管に設けたサンプリングポイントと、
前記サンプリングポイントに接続されるサンプリング管と、
前記サンプリング管に設けたサンプリング弁と、
前記内燃機関の作動状態を検出する作動状態検出手段と、
前記作動状態検出手段の検出結果に応じて所定のタイミングで前記サンプリング弁を開閉制御する制御手段と、
前記サンプリング管の下流端に設けた燃焼ガス分析手段とを備えたことを特徴とする燃焼ガス分析システム。

【請求項2】

請求項１に記載の燃焼ガス分析システムであって、
前記所定のタイミングは、前記シリンダに設けた排気弁の開き始めから開き切るまでの間のタイミングであることを特徴とする燃焼ガス分析システム。

【請求項3】

請求項１又は請求項２に記載の燃焼ガス分析システムであって、
前記作動状態検出手段は、前記シリンダ内のピストンの位置を検出するピストンポジションセンサと、前記内燃機関の回転数を検出するクランク角度エンコーダを用いることを特徴とする燃焼ガス分析システム。

【請求項4】

請求項１～３のいずれか１項に記載の燃焼ガス分析システムであって、
前記接続管が前記シリンダの上部から横引きされて前記排気レシーバに合流する構成であり、
前記サンプリングポイントは、前記接続管の上部から下方に向けて設けられることを特徴とする燃焼ガス分析システム。

【請求項5】

請求項１～４のいずれか１項に記載の燃焼ガス分析システムであって、
前記サンプリング管の前記サンプリング弁と前記燃焼ガス分析手段との間にバッファタンクを備えたことを特徴とする燃焼ガス分析システム。

【請求項6】

請求項５に記載の燃焼ガス分析システムであって、
前記バッファタンクへの前記燃焼ガスの貯留状況を検出する貯留状況検出手段をさらに備え、
前記貯留状況検出手段で前記燃焼ガスの貯留状態が所定の条件を満たすことを検出したときに、前記燃焼ガス分析手段による前記燃焼ガスの分析を行うことを特徴とする燃焼ガス分析システム。

【請求項7】

請求項６に記載の燃焼ガス分析システムであって、
前記燃焼ガス分析手段は、前記貯留状況検出手段を兼ねており、
前記バッファタンクに貯留された前記燃焼ガスの酸素濃度を検出することを特徴とする燃焼ガス分析システム。

【請求項8】

請求項１～７のいずれか１項に記載の燃焼ガス分析システムであって、
前記サンプリング管及び前記バッファタンクの少なくとも一方にパージ手段をさらに備えたことを特徴とする燃焼ガス分析システム。

【請求項9】

請求項８に記載の燃焼ガス分析システムであって、
前記制御手段は、前記燃焼ガス分析手段による前記燃焼ガスの分析を行わないときに、前記サンプリング弁と前記パージ手段を開状態とし、前記サンプリング管又は前記バッファタンクの少なくとも一方から連続的に前記燃焼ガスを排出することを特徴とする燃焼ガス分析システム。

【請求項10】

請求項１～９のいずれか１項に記載の燃焼ガス分析システムであって、
前記燃焼ガス分析手段が、前記燃焼ガスの酸素濃度と二酸化炭素濃度の検出を行うことを特徴とする燃焼ガス分析システム。

【請求項11】

請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の燃焼ガスの分析システム用いた燃焼ガスの分析方法であって、
前記内燃機関のサイクル毎に前記燃焼ガスを採取し前記燃焼ガス分析手段で連続的に分析する、又は、前記バッファタンクに複数の前記サイクルの前記燃焼ガスを貯留した後に前記燃焼ガス分析手段でまとめて分析することを特徴とする燃焼ガス分析方法。

【請求項12】

請求項１１に記載の燃焼ガス分析方法であって、
前記燃焼ガス分析手段で連続的に分析する場合、複数の前記サイクルの前記燃焼ガスの分析結果を平均化処理することを特徴とする燃焼ガス分析方法。

【請求項13】

請求項１１又は請求項１２に記載の燃焼ガス分析方法であって、
燃焼ガスの酸素濃度と二酸化炭素濃度を分析し、分析結果に基づいて空気過剰率を算出して前記内燃機関の前記シリンダにおける燃焼状態及び内燃機関性能の少なくとも一方を評価することを特徴とする燃焼ガス分析方法。

【請求項14】

請求項１３に記載の燃焼ガス分析方法であって、
前記燃焼状態の評価結果及び前記内燃機関性能の評価結果の少なくとも一方を前記内燃機関の制御に利用することを特徴とする燃焼ガス分析方法。

【請求項15】

請求項１３又は請求項１４に記載の燃焼ガス分析方法であって、
前記燃焼状態の評価結果及び前記内燃機関性能の評価結果の少なくとも一方を前記内燃機関を管理する管理部門に情報通信網を介して伝達することを特徴とする燃焼ガス分析方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃焼ガス分析システム及び燃焼ガス分析方法に関する。

【背景技術】

【0002】

ディーゼル機関は船舶の推進プラントとして、信頼性と熱効率の高さ、及び各種燃料に対応できる適用性からその主流を占めており、今後もその座を維持すると思われる。しかしながら、近年の排ガス規制の強化と燃料経済性に対応するために益々その燃焼プロセスに目を向ける必要がある。最適燃焼プロセスはシリンダへの空気の供給具合によって大きく変わり、空気の供給はエンジンの各種運転状態と過給機の性能に大きく影響される。そこで、実際の運航状態において、簡単に空気の供給状態を知ることは重要で、これができれば燃焼プロセスとエンジン性能の評価ができるばかりでなく、ますます複雑になるエンジンコントロールシステムの開発に役立つ。

【0003】

往復動エンジンのシリンダ内圧力計測可能とし且つシリンダ内の燃焼ガスを１サイクル中の制御された期間に採取することを可能にするガス採取装置が開示されている（特許文献１）。また、サンプリングガスを採取するガス導入管の一端を燃焼室内に挿入し、ガスサンプリング用電磁弁を介して分析器にガスを抽出するガスサンプリング装置が開示されている（特許文献２）。さらに、内燃機関において、各シリンダ出口に接続された主排気管と、主排気管の一部を迂回するバイパス管とを設け、バイパス管には排気成分を測定するためのセンサを挿入するための測定開口部を備えた構成が開示されている（特許文献３）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０００－２９８０８０号公報

【特許文献2】特開平２－２０１２３９号公報

【特許文献3】特開２０２０－８０２０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、燃焼室(シリンダ)から燃焼ガスを直接取り出し、分析し、燃焼状態を観測する方法では、燃焼室に穴をあける必要があると共に、サンプリング弁は高温及び高圧に曝されるために耐久性を高めることが難しく、高価な物になってしまうという課題があった。また、２サイクル式の内燃機関においては、排気弁が開成した状態で排気として燃焼ガスの排出に続いて掃気が行われるため、燃焼ガスだけを取り出すためのタイミングを適切に設定する必要があった。

【課題を解決するための手段】

【0006】

請求項１に対応した燃焼ガス分析システムは、２サイクル式の内燃機関の燃焼ガスを分析する燃焼ガス分析システムであって、前記内燃機関のシリンダと排気レシーバとの間の接続管に設けたサンプリングポイントと、前記サンプリングポイントに接続されるサンプリング管と、前記サンプリング管に設けたサンプリング弁と、前記内燃機関の作動状態を検出する作動状態検出手段と、前記作動状態検出手段の検出結果に応じて所定のタイミングで前記サンプリング弁を開閉制御する制御手段と、前記サンプリング管の下流端に設けた燃焼ガス分析手段とを備えたことを特徴とする燃焼ガス分析システムである。

【0007】

ここで、前記所定のタイミングは、前記シリンダに設けた排気弁の開き始めから開き切るまでの間のタイミングであることが好適である。

【0008】

また、前記作動状態検出手段は、前記シリンダ内のピストンの位置を検出するピストンポジションセンサと、前記内燃機関の回転数を検出するクランク角度エンコーダを用いることが好適である。

【0009】

また、前記接続管が前記シリンダの上部から横引きされて前記排気レシーバに合流する構成であり、前記サンプリングポイントは、前記接続管の上部から下方に向けて設けられることが好適である。

【0010】

また、前記サンプリング管の前記サンプリング弁と前記燃焼ガス分析手段との間にバッファタンクを備えたことが好適である。

【0011】

また、前記バッファタンクへの前記燃焼ガスの貯留状況を検出する貯留状況検出手段をさらに備え、前記貯留状況検出手段で前記燃焼ガスの貯留状態が所定の条件を満たすことを検出したときに、前記燃焼ガス分析手段による前記燃焼ガスの分析を行うことが好適である。

【0012】

また、前記燃焼ガス分析手段は、前記貯留状況検出手段を兼ねており、前記バッファタンクに貯留された前記燃焼ガスの酸素濃度を検出することが好適である。

【0013】

また、前記サンプリング管及び前記バッファタンクの少なくとも一方にパージ手段をさらに備えたことが好適である。

【0014】

また、前記制御手段は、前記燃焼ガス分析手段による前記燃焼ガスの分析を行わないときに、前記サンプリング弁と前記パージ手段を開状態とし、前記サンプリング管又は前記バッファタンクの少なくとも一方から連続的に前記燃焼ガスを排出することが好適である。

【0015】

また、前記燃焼ガス分析手段が、前記燃焼ガスの酸素濃度と二酸化炭素濃度の検出を行うことが好適である。

【0016】

請求項１１に対応した燃焼ガス分析方法は、上記燃焼ガスの分析システム用いた燃焼ガスの分析方法であって、前記内燃機関のサイクル毎に前記燃焼ガスを採取し前記燃焼ガス分析手段で連続的に分析する、又は、前記バッファタンクに複数の前記サイクルの前記燃焼ガスを貯留した後に前記燃焼ガス分析手段でまとめて分析することが好適である。

【0017】

ここで、前記燃焼ガス分析手段で連続的に分析する場合、複数の前記サイクルの前記燃焼ガスの分析結果を平均化処理することが好適である。

【0018】

また、燃焼ガスの酸素濃度と二酸化炭素濃度を分析し、分析結果に基づいて空気過剰率を算出して前記内燃機関の前記シリンダにおける燃焼状態及び内燃機関性能の少なくとも一方を評価することが好適である。

【0019】

また、前記燃焼状態の評価結果及び前記内燃機関性能の評価結果の少なくとも一方を前記内燃機関の制御に利用することが好適である。

【0020】

また、前記燃焼状態の評価結果及び前記内燃機関性能の評価結果の少なくとも一方を前記内燃機関を管理する管理部門に情報通信網を介して伝達することが好適である。

【発明の効果】

【0021】

請求項１に対応した燃焼ガス分析システムは、２サイクル式の内燃機関の燃焼ガスを分析する燃焼ガス分析システムであって、前記内燃機関のシリンダと排気レシーバとの間の接続管に設けたサンプリングポイントと、前記サンプリングポイントに接続されるサンプリング管と、前記サンプリング管に設けたサンプリング弁と、前記内燃機関の作動状態を検出する作動状態検出手段と、前記作動状態検出手段の検出結果に応じて所定のタイミングで前記サンプリング弁を開閉制御する制御手段と、前記サンプリング管の下流端に設けた燃焼ガス分析手段とを備えたことによって、２サイクル式の内燃機関の排気から燃焼ガスのみをサンプリングし、燃焼ガスの酸素濃度や二酸化炭素濃度等を高い精度で分析することが可能になる。これに伴って、内燃機関における燃焼状態や性能を評価することができる。

【0022】

ここで、前記所定のタイミングは、前記シリンダに設けた排気弁の開き始めから開き切るまでの間のタイミングであることによって、掃気の混じらない適切なタイミングで燃焼ガスのみをサンプリングし、燃焼ガスの酸素濃度や二酸化炭素濃度等を高い精度で分析することが可能になる。

【0023】

また、前記作動状態検出手段は、前記シリンダ内のピストンの位置を検出するピストンポジションセンサと、前記内燃機関の回転数を検出するクランク角度エンコーダを用いることによって、正確に検出されたピストンの位置とクランク角度に基づいて、掃気の混じらないより適切なタイミングで燃焼ガスをサンプリングし、燃焼ガスの酸素濃度や二酸化炭素濃度等を高い精度で分析することが可能になる。

【0024】

また、前記接続管が前記シリンダの上部から横引きされて前記排気レシーバに合流する構成であり、前記サンプリングポイントは、前記接続管の上部から下方に向けて設けられることによって、煤や異物等の混入を抑制し、燃焼ガスの酸素濃度や二酸化炭素濃度等を正確に測定及び分析できる。

【0025】

また、前記サンプリング管の前記サンプリング弁と前記燃焼ガス分析手段との間にバッファタンクを備えたことによって、燃焼ガスの短期的な変動に依らず、燃焼ガスの性状を測定及び分析することができる。

【0026】

また、前記バッファタンクへの前記燃焼ガスの貯留状況を検出する貯留状況検出手段をさらに備え、前記貯留状況検出手段で前記燃焼ガスの貯留状態が所定の条件を満たすことを検出したときに、前記燃焼ガス分析手段による前記燃焼ガスの分析を行うことによって、バッファタンクに貯留された燃焼ガスの状態が安定し、内燃機関の燃焼状態をより正しく示す状況において燃焼ガスの性状を測定及び分析することができる。

【0027】

また、前記燃焼ガス分析手段は、前記貯留状況検出手段を兼ねており、前記バッファタンクに貯留された前記燃焼ガスの酸素濃度を検出することによって、酸素濃度に基づいてバッファタンクに貯留された燃焼ガスの状態が安定し、内燃機関の燃焼状態をより正しく示す状況において燃焼ガスの性状を測定及び分析することができる。

【0028】

また、前記サンプリング管及び前記バッファタンクの少なくとも一方にパージ手段をさらに備えたことによって、サンプリング管、サンプリング弁、逆止弁、バッファタンク、パージ弁等に燃焼ガスに含まれる煤や異物等が残留することを抑制することができる。

【0029】

また、前記制御手段は、前記燃焼ガス分析手段による前記燃焼ガスの分析を行わないときに、前記サンプリング弁と前記パージ手段を開状態とし、前記サンプリング管又は前記バッファタンクの少なくとも一方から連続的に前記燃焼ガスを排出することによって、燃焼ガスの分析を行わないときにサンプリング管、サンプリング弁、逆止弁、バッファタンク、パージ弁等から燃焼ガスに含まれる煤や異物等を排出することができ、掃気による排出も期待できる。

【0030】

また、前記燃焼ガス分析手段が、前記燃焼ガスの酸素濃度と二酸化炭素濃度の検出を行うことによって、検出された酸素濃度や二酸化炭素を分析することで内燃機関における燃焼状態や性能を分析及び把握することができる。

【0031】

また、請求項１１に対応した燃焼ガス分析方法は、上記燃焼ガスの分析システム用いた燃焼ガスの分析方法であって、前記内燃機関のサイクル毎に前記燃焼ガスを採取し前記燃焼ガス分析手段で連続的に分析する、又は、前記バッファタンクに複数の前記サイクルの前記燃焼ガスを貯留した後に前記燃焼ガス分析手段でまとめて分析することによって、２サイクル式の内燃機関の排気から燃焼ガスのみをサンプリングし、燃焼ガスの酸素濃度や二酸化炭素濃度等を高い精度で分析することが可能になる。これに伴って、内燃機関における燃焼状態や性能を評価することができる。

【0032】

ここで、前記燃焼ガス分析手段で連続的に分析する場合、複数の前記サイクル前記燃焼ガスの分析結果を平均化処理することによって、平均化された分析結果に基づいて内燃機関における燃焼状態や性能を評価することができる。

【0033】

また、燃焼ガスの酸素濃度と二酸化炭素濃度を分析し、分析結果に基づいて空気過剰率を算出して前記内燃機関の前記シリンダにおける燃焼状態及び内燃機関性能の少なくとも一方を評価することによって、内燃機関における燃焼状態及び内燃機関の性能の少なくとも一方を高い精度で評価することができる。

【0034】

また、前記燃焼状態の評価結果及び前記内燃機関性能の評価結果の少なくとも一方を前記内燃機関の制御に利用することによって、内燃機関における燃焼状態及び内燃機関の性能に基づいて内燃機関の燃焼を制御することができる。

【0035】

また、前記燃焼状態の評価結果及び前記内燃機関性能の評価結果の少なくとも一方を前記内燃機関を管理する管理部門に情報通信網を介して伝達することによって、管理部門において内燃機関の燃焼状態や性能を把握することができる。

【図面の簡単な説明】

【0036】

【図1】第１の実施の形態における燃焼ガス分析システムの構成を示す図である。

【図2】第１の実施の形態における燃焼ガス分析方法を示すフローチャートである。

【図3】ピストンのクランク角度の検出信号の例を示す図である。

【図4】ピストンの上死点の検出信号の例を示す図である。

【図5】燃焼ガスのサンプリングタイミングを制御するための処理を示すフローチャートである。

【図6】燃焼ガスのサンプリングタイミングの例を示す図である。

【図7】サンプリング信号の生成処理の例を示す図である。

【図8】燃焼ガスのサンプリング時におけるバッファタンク内圧力及び酸素濃度の変化を示す図である。

【図9】燃焼ガスの酸素濃度及び空気過剰率の時間変化の例を示す図である。

【図10】第２の実施の形態における燃焼ガス分析システムの構成を示す図である。

【図11】第２の実施の形態における燃焼ガス分析方法を示すフローチャートである。

【図12】第３の実施の形態における燃焼ガス分析システムの構成を示す図である。

【図13】第３の実施の形態における燃焼ガス分析方法を示すフローチャートである。

【図14】サンプリングポイントによる影響を説明するための図である。

【図15】サンプリングポイントによる影響を説明するための空気過剰率の理想値と実測値との関係を示す図である。

【図16】サンプリングポイントによる影響を説明するための図である。

【図17】サンプリングポイントによる影響を説明するための空気過剰率の理想値と実測値との関係を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0037】

［第１の実施の形態］
第１の実施の形態における燃焼ガス分析システム１００は、図１に示すように、内燃機関１０２、排気レシーバ１０４、サンプリング評価装置１０６及び制御部１０８を含んで構成される。

【0038】

内燃機関１０２は、２サイクル式の内燃機関であれば特に限定されるものではないが、例えばディーゼルエンジンとすることができる。内燃機関１０２は、シリンダ１０及びピストン１２を備える。内燃機関１０２は、シリンダ１０とピストン１２とによって形成される燃焼室に空気を取り入れ、その空気をピストン１２の上昇工程で圧縮し、最大に圧縮される付近で燃料をシリンダ１０内に噴射することで燃料と空気を爆発燃焼させることによってピストン１２に駆動力を発生させる。燃焼終了後、所定のタイミングで排気弁１４が開状態とされ、ピストン１２によって燃焼ガスが押し出されて接続管１６へ排出される。燃焼ガスは、接続管１６を通じて排気レシーバ１０４へ排出される。

【0039】

サンプリング評価装置１０６は、内燃機関１０２の接続管１６から燃焼ガスを取り出してサンプリングするための手段を含む。サンプリング評価装置１０６は、サンプリング管２０、サンプリング弁２２、逆止弁２４、バッファタンク２６、パージ弁２８、３０、ガス分析器３２及び分析コンピュータ３４を含んで構成される。

【0040】

内燃機関１０２の接続管１６に挿入されたサンプリング管２０のガス取出部から燃焼ガスの一部が取り出される。サンプリング管２０のガス取出部付近には開閉のタイミングを調整できるサンプリング弁２２が設けられる。また、サンプリング管２０の途中には燃焼ガスの逆流を防ぐための逆止弁２４が配置される。排気弁１４の開閉のタイミングに連動させてサンプリング弁２２を掃気の混じらない適切なタイミングで開状態にすることにより、新たな空気が混ざることなく内燃機関１０２における燃焼によって生じた燃焼ガスがサンプリング管２０を介してバッファタンク２６へサンプリングされる。燃焼ガスは、バッファタンク２６を通じてガス分析器３２に送気される。なお、サンプリング管２０及びバッファタンク２６に煤等が蓄積されることを防ぐために、サンプリング管２０及びバッファタンク２６の内部の燃焼ガスを掃気する必要がある場合、パージ弁２８やパージ弁３０を用いて燃焼ガスや掃気(空気)を外部へ放出することができる。

【0041】

ガス分析器３２は、燃焼ガスの酸素（Ｏ_２）と二酸化炭素（ＣＯ_２）の濃度を検出する。ガス分析器３２は、検出した酸素濃度及び二酸化炭素濃度を分析コンピュータ３４へ送信する。ガス分析器３２の測定方式は、特に限定されるものではなく、例えば赤外線ガス分析方式、レーザガス分析方式等を適用することができる。分析コンピュータ３４は、ガス分析器３２によって得られた酸素濃度及び二酸化炭素濃度から燃焼ガスの空気過剰率を算出する。

【0042】

制御部１０８は、内燃機関１０２の運転状況に応じて掃気の混じらない適切なタイミングで燃焼ガスをサンプリングするための制御を行う。制御部１０８は、制御コンピュータ３６、バルブドライバ３８、ピストンポジションセンサ４０及びクランク角度エンコーダ４２を備える。ピストンポジションセンサ４０は、内燃機関１０２のピストン１２の回転数を計測する。クランク角度エンコーダ４２は、内燃機関１０２のピストン１２のクランク角度を計測する。バルブドライバ３８は、サンプリング弁２２の開閉制御を行うためのドライバである。制御コンピュータ３６は、ピストンポジションセンサ４０によるピストン１２の上死点の検出信号及びクランク角度エンコーダ４２によるピストン１２のクランク角度の検出信号に応じてサンプリング弁２２を適切なタイミングで開閉させる。具体的には、制御コンピュータ３６は、バルブドライバ３８にサンプリング信号を送信する。バルブドライバ３８は、サンプリング信号に応じてサンプリング弁２２を適切なタイミングで開閉制御する。なお、排気弁１４の開閉のタイミングを検出する手段は、ピストンポジションセンサ４０とクランク角度エンコーダ４２の組み合わせ以外にも各種の手段が選択できる。例えば、排気弁１４の動作を直接検出する手段であってもよい。

【0043】

以下、図２のフローチャートを参照して、燃焼ガス分析システム１００を用いた燃焼ガス分析処理について説明する。

【0044】

燃焼ガスのサンプリングが開始されると、制御コンピュータ３６によって内燃機関１０２の作動状態が検出される（ステップＳ１０）。制御コンピュータ３６は、内燃機関１０２のピストン１２のクランク角度の検出信号及びピストン１２の上死点の検出信号を取得する。図３は、エンコーダによるピストン１２のクランク角度の検出信号の検出例を示す。図３において、１つのパルスがピストン１２のクランク角度における１°を示している。また、図４は、ピストン１２の上死点の検出信号の検出例を示す。図４において、パルスを検出したタイミングがピストン１２の上死点のタイミングを示す。制御コンピュータ３６は、ピストン１２が上死点を迎えたタイミングからピストン１２のクランク角度を示すパルスの数をカウントすることによってピストン１２のクランク角度を算出することができる。

【0045】

制御コンピュータ３６は、クランク角度の検出信号及び上死点の検出信号に応じてサンプリング弁２２の開閉制御を行う（ステップＳ１２～Ｓ１６）。具体的には、図５に示すフローチャートによってサンプリング弁２２の開閉制御が行われる。まず、上死点の検出信号に基づいてピストン１２が上死点に達したか判定される（ステップＳ４０）。ピストン１２が上死点に達したならカウンターを０に初期化し（ステップＳ４２）、上死点に達していなければステップＳ４４に処理を移行させる。続いて、クランク角度の検出信号においてパルスがハイ（Ｈｉｇｈ）になったか否かが判定される（ステップＳ４４）。パルスがＨｉｇｈになったらカウンターを１増加させる（ステップＳ４６）。そして、カウンターの値がセット値になったか否かが判定される（ステップＳ４８）。ここで、セット値は、燃焼ガスのサンプリングを行うためにサンプリング弁２２を開弁させるときのクランク角度に対応するパルス数に予め設定される。カウンターの値がセット値になった場合にはサンプリング信号をハイ（Ｈｉｇｈ）に設定し（ステップＳ５０）、カウンターの値がセット値でない場合にはステップＳ５２に処理を移行させる。さらに、カウンターの値がリセット値になったか否かが判定される（ステップＳ５２）。ここで、リセット値は、燃焼ガスのサンプリングを止めるためにサンプリング弁２２を閉弁させるときのクランク角度に対応するパルス数に予め設定される。カウンターの値がリセット値になった場合にはサンプリング信号をロー（Ｌｏｗ）に設定し（ステップＳ５４）、カウンターの値がリセット値でない場合にはステップＳ５６に処理を移行させる。ユーザから終了指示があれば燃焼ガスのサンプリングを終了し、終了指示がなければステップＳ４０に処理を戻す。

【0046】

燃焼ガスの適切なサンプリングタイミングは、排気弁１４が開き始めてから開ききるまでの期間とすることが好適である。例えば、図６に示すように、排気弁１４が開き始めるクランク角度が１２０°であり、排気弁１４が開ききるクランク角度が１５０°であれば、クランク角度が１２０°～１５０°の期間においてサンプリング弁２２が開状態となり、他のクランク角度の期間においてサンプリング弁２２が閉状態となるように制御を行う。

【0047】

当該例示において、クランク角度の検出信号における１つのパルスがピストン１２のクランク角度における１°を示している場合、ピストン１２のクランク角度が１２０°でサンプリング弁２２を開弁させるためにはセット値を１２０に設定する。また、クランク角度が１５０°でサンプリング弁２２を閉弁させるためにはリセット値を１５０に設定する。これによって、図７に示すように、ピストン１２のクランク角度が１２０°～１５０°においてハイ（Ｈｉｇｈ）及びその他の角度領域においてロー（Ｌｏｗ）となるサンプリング信号が生成される。バルブドライバ３８は、当該サンプリング信号に基づいて、サンプリング信号がハイ（Ｈｉｇｈ）のときにサンプリング弁２２を開状態とし、ロー（Ｌｏｗ）のときにサンプリング弁２２を閉状態とする。なお、排気弁１４が開き切っても２サイクル式の内燃機関１０２の掃気ポートが開成し出すクランク角度(例えば１６５°)迄は、掃気が入って来ないため燃焼ガスのサンプリングタイミングとしては適しているとも言えるが、排気弁１４の開き始めから開き切るまでの間のタイミングでサンプリングした方が排気の流れ速度が早く、バラツキや経年劣化等も考慮して、より確実なサンプリングタイミングであると言える。

【0048】

排気弁１４を基準とした具体的なタイミングとしては、排気弁１４が開き始めるクランク角度１２０°を少し超えたタイミング(例えば１２１°～１２２°)に、また排気弁１４が開き切るクランク角度１５０°と同一か少し超えたタイミング(例えば１５０°～１５２°)に所定のタイミングを設定することが好適である。この場合、排気弁１４の開きはじめのタイミングとは、クランク角度１２０°を少し超えたタイミングを言い、開き切るタイミングとは、クランク角度１５０°と同一か少し超えたタイミングを言うが、開き切るタイミングは、掃気ポートが開成し出すクラン角度まで余裕があるところ、広めの範囲に設定できる。

【0049】

サンプリング弁２２が開状態とされることで、バッファタンク２６に燃焼ガスが貯留される（ステップＳ１８）。図８は、バッファタンク２６に燃焼ガスが貯蔵されるときの時間に対するバッファタンク２６内の圧力及び酸素濃度の変化を示す。図８に示すように、サンプリング弁２２を開状態とする毎に時間経過と共にバッファタンク２６内の圧力は大気圧から徐々に増加し、それと共に酸素濃度は低下する。そして、時間経過と共にサンプリング回数が増加するとバッファタンク２６内の圧力及び酸素濃度は一定値に収束する。

【0050】

バッファタンク２６に燃焼ガスを貯留させると、ガス分析器３２によってバッファタンク２６内の酸素（Ｏ_２）の濃度が計測される（ステップＳ２０）。そして、バッファタンク２６内の酸素濃度が所定の基準濃度範囲に安定したか否かが判定される（ステップＳ２２）。この処理によって、ガス分析器３２は貯留状況検出手段としても機能する。バッファタンク２６内の酸素濃度が所定の基準濃度範囲内であればステップＳ２２に処理を移行させ、基準濃度範囲外であればステップＳ１０に処理を戻す。その後、ガス分析器３２によってバッファタンク２６内の燃焼ガスの二酸化炭素（ＣＯ_２）の濃度が計測される（ステップＳ２４）。また、ステップＳ２０において計測された酸素濃度とステップＳ２４において計測された二酸化炭素濃度に基づいて、分析コンピュータ３４によって燃焼ガスの空気過剰率が計算される（ステップＳ２６）。

【0051】

空気過剰率の算出後、サンプリング弁２２が閉状態のときに制御コンピュータ３６からの制御によってパージ弁２８が開状態とされてバッファタンク２６内の燃焼ガスがパージされる（ステップＳ２８）。燃焼ガスをパージする目的は、燃焼ガスに含まれる煤や異物等がサンプリング管２０、サンプリング弁２２、逆止弁２４、バッファタンク２６等を詰まらせることを抑制するためである。また、掃気による排出も期待できる。したがって、パージ弁２８が開弁させてパージを行う処理は、必要に応じて、又は、所定の時間間隔で適宜行えばよい。

【0052】

制御コンピュータ３６に対してユーザ等からサンプリングを終了するための指示であるサンプリング終了信号が入力されると燃焼ガス分析処理を終了し、サンプリング終了信号が入力されてなければステップＳ１０に処理を戻して燃焼ガス分析処理を継続する（ステップＳ３０）。

【0053】

図９は、燃焼ガスのサンプリング及び測定を行ったときの時間経過に対する酸素濃度及び空気過剰率の変化の例を示す。図９の領域Ａにおいて燃焼ガスのサンプリング及び測定が開始されると、サンプリングが行われる度にバッファタンク２６に燃焼ガスが蓄積され、時間経過と共に定常状態となった。また、領域Ｂ１～領域Ｂ５において内燃機関１０２の運転条件を変更すると酸素濃度及び空気過剰率の変化を示した。また、図９のパージ領域においてパージを行うと、サンプリング管２０、サンプリング弁２２、逆止弁２４、バッファタンク２６の燃焼ガスがパージされて酸素濃度及び空気過剰率が変化を示した。このように、内燃機関１０２の運転条件を変更することによって酸素濃度及び空気過剰率は共に変化した。

【0054】

酸素濃度及び空気過剰率から内燃機関１０２の運転状況を把握することが可能である。例えば、酸素濃度及び空気過剰率が低下することによって内燃機関１０２の運転において負荷が増大していることを把握することができる。逆に、酸素濃度及び空気過剰率が増加することによって内燃機関１０２の運転において負荷が低減していることを把握することができる。

【0055】

以上のように、内燃機関１０２のサイクル毎に燃焼ガスをバッファタンク２６に採取し、ガス分析器３２及び分析コンピュータ３４によってバッファタンク２６に貯留された燃焼ガスを連続的に分析し、内燃機関１０２の運転状況や性能を評価することができる。

【0056】

［第２の実施の形態］
第２の実施の形態における燃焼ガス分析システム１１０は、図１０に示すように、内燃機関１０２、排気レシーバ１０４、サンプリング評価装置１１２及び制御部１０８を含んで構成される。内燃機関１０２、排気レシーバ１０４及び制御部１０８の構成は、第１の実施の形態における燃焼ガス分析システム１００と同様であるので説明を省略する。

【0057】

サンプリング評価装置１１２は、内燃機関１０２の接続管１６から燃焼ガスを取り出してサンプリングするための手段を含む。サンプリング評価装置１１２は、サンプリング管２０、シャット弁４４、逆止弁２４、バッファタンク２６、パージ弁２８、３０、サンプリング弁４６、パージ弁４８、ガス分析器３２及び分析コンピュータ３４を含んで構成される。

【0058】

内燃機関１０２の接続管１６に挿入されたサンプリング管２０のガス取出部から燃焼ガスの一部が取り出される。サンプリング管２０のガス取出部付近にはシャット弁４４及び逆止弁２４が配置される。

【0059】

排気弁１４の開閉のタイミングに連動させてサンプリング弁４６を掃気の混じらない適切なタイミングで開状態にすることにより、新たな空気が混ざることなく内燃機関１０２における燃焼によって生じた燃焼ガスがサンプリング管２０を介してバッファタンク２６へサンプリングされる。燃焼ガスは、バッファタンク２６を通じてガス分析器３２に送気される。なお、サンプリング管２０及びバッファタンク２６の内部の燃焼ガスを排出する必要がある場合、パージ弁２８やパージ弁４８を用いて燃焼ガスを外部へ放出することができる。ガス分析器３２では、燃焼ガスの酸素（Ｏ_２）と二酸化炭素（ＣＯ_２）の濃度を検出する。分析コンピュータ３４は、ガス分析器３２によって得られた酸素濃度及び二酸化炭素濃度から燃焼ガスの空気過剰率を算出する。

【0060】

制御部１０８は、内燃機関１０２の運転状況に応じて掃気の混じらない適切なタイミングで燃焼ガスをサンプリングするための制御を行う。バルブドライバ３８は、サンプリング弁４６の開閉制御を行うためのドライバである。制御コンピュータ３６からバルブドライバ３８にサンプリング信号を送信することによって、バルブドライバ３８はサンプリング信号に応じてサンプリング弁４６を適切なタイミングで開閉制御する。

【0061】

以下、図１１のフローチャートを参照して、燃焼ガス分析システム１１０を用いた燃焼ガス分析処理について説明する。

【0062】

本実施の形態における燃焼ガス分析処理においてステップＳ１０～Ｓ２２の処理は第１の実施の形態における燃焼ガス分析処理と同様であるので説明を省略する。燃焼ガスのサンプリング後、バッファタンク２６内の酸素濃度が所定の基準濃度範囲内であればステップＳ３２に処理を移行させ、基準濃度範囲外であればステップＳ１０に処理を戻す。その後、燃焼ガスのサンプリングが停止される（ステップＳ３２）。そして、ガス分析器３２によってバッファタンク２６内の燃焼ガスの二酸化炭素（ＣＯ_２）の濃度が計測され（ステップＳ２４）、ステップＳ２０において計測された酸素濃度とステップＳ２４において計測された二酸化炭素濃度に基づいて燃焼ガスの空気過剰率が計算される（ステップＳ２６）。空気過剰率の算出後、サンプリング弁４６が閉状態のときに制御コンピュータ３６からの制御によってパージ弁２８が開状態とされてバッファタンク２６内の燃焼ガスがパージされる（ステップＳ２８）。

【0063】

そして、制御コンピュータ３６に対してユーザ等からサンプリングを終了するための指示であるサンプリング終了信号が入力されたか否かが判定される（ステップＳ３０）。サンプリング終了信号が入力された場合、燃焼ガス分析処理を終了する。また、サンプリング終了信号が入力されていない場合、ステップＳ３２において停止されていた燃焼ガスのサンプリングが再開され（ステップＳ３４）、ステップＳ１０に処理を戻して燃焼ガス分析処理を継続する（ステップＳ３０）。

【0064】

このような処理によって内燃機関１０２のサイクル毎に燃焼ガスをバッファタンク２６に採取し、ガス分析器３２及び分析コンピュータ３４によってバッファタンク２６に貯留された燃焼ガスをバッチ処理的に分析することができる。

【0065】

［第３の実施の形態］
第３の実施の形態における燃焼ガス分析システム１２０は、図１２に示すように、内燃機関１０２、排気レシーバ１０４、サンプリング評価装置１１４及び制御部１０８を含んで構成される。内燃機関１０２、排気レシーバ１０４及び制御部１０８の構成は、第１の実施の形態における燃焼ガス分析システム１００と同様であるので説明を省略する。

【0066】

サンプリング評価装置１１４は、内燃機関１０２の接続管１６から燃焼ガスを取り出してサンプリングするための手段を含む。サンプリング評価装置１１２は、サンプリング管２０、サンプリング弁５０、逆止弁２４、パージ弁２８、ガス分析器３２及び分析コンピュータ３４を含んで構成される。

【0067】

内燃機関１０２の接続管１６に挿入されたサンプリング管２０のガス取出部から燃焼ガスの一部が取り出される。サンプリング管２０のガス取出部付近にはサンプリング弁５０及び逆止弁２４が配置される。

【0068】

排気弁１４の開閉のタイミングに連動させてサンプリング弁５０を適切なタイミングで開状態にすることにより、新たな空気が混ざることなく内燃機関１０２における燃焼によって生じた燃焼ガスがサンプリング管２０を介してサンプリングされる。燃焼ガスは、ガス分析器３２に送気される。なお、サンプリング管２０の内部の燃焼ガスを排出する必要がある場合、パージ弁２８を用いて燃焼ガスを外部へ放出することができる。ガス分析器３２では、燃焼ガスの酸素（Ｏ_２）と二酸化炭素（ＣＯ_２）の濃度を検出する。分析コンピュータ３４は、ガス分析器３２によって得られた酸素濃度及び二酸化炭素濃度から燃焼ガスの空気過剰率を算出する。

【0069】

制御部１０８は、内燃機関１０２の運転状況に応じて掃気の混じらない適切なタイミングで燃焼ガスをサンプリングするための制御を行う。バルブドライバ３８は、サンプリング弁５０の開閉制御を行うためのドライバである。制御コンピュータ３６からバルブドライバ３８にサンプリング信号を送信することによって、バルブドライバ３８はサンプリング信号に応じてサンプリング弁５０を適切なタイミングで開閉制御する。

【0070】

以下、図１３のフローチャートを参照して、燃焼ガス分析システム１２０を用いた燃焼ガス分析処理について説明する。

【0071】

本実施の形態における燃焼ガス分析処理においてステップＳ１０～Ｓ１６の処理は第１の実施の形態における燃焼ガス分析処理と同様であるので説明を省略する。燃焼ガスがサンプリング管２０内にサンプリングされると、サンプリング管２０を通じてガス分析器３２へ送気された燃焼ガスの酸素（Ｏ_２）の濃度及び二酸化炭素（ＣＯ_２）の濃度が連続的に計測される（ステップＳ３６，Ｓ３８）。

【0072】

その後、サンプリング管２０内の燃焼ガスのパージが必要か否かが判定される（ステップＳ４０）。パージが必要である場合にはステップＳ２８に処理を移行させ、サンプリング弁５０が閉状態のときにパージ弁２８を開弁させてサンプリング管２０内の燃焼ガスをパージし（ステップＳ２８）、ステップＳ３０に処理を移行させる。このとき、ガス分析器３２によって燃料ガスを吸引して排出するようにしてもよい。

【0073】

パージが不要である場合にはステップＳ４２に処理を移行させ、連続的に計測されている酸素濃度及び二酸化炭素濃度を時間的に平均化する処理を行う（ステップＳ４２）。ステップＳ４２において平均化された酸素濃度と二酸化炭素濃度に基づいて燃焼ガスの空気過剰率が計算される（ステップＳ２６）。

【0074】

そして、制御コンピュータ３６に対してユーザ等からサンプリングを終了するための指示であるサンプリング終了信号が入力されたか否かが判定される（ステップＳ３０）。サンプリング終了信号が入力された場合、燃焼ガス分析処理を終了する。また、サンプリング終了信号が入力されていない場合、ステップＳ１０に処理を戻して燃焼ガス分析処理を継続する（ステップＳ３０）。

【0075】

このような処理によって内燃機関１０２のサイクル毎に燃焼ガスをバッファタンク２６に採取することなく、ガス分析器３２及び分析コンピュータ３４によってバッファタンク２６に貯留された燃焼ガスを連続的に分析することができる。

【0076】

以上のように、第１～第３の実施の形態によれば、内燃機関１０２の運転状況を把握することによって内燃機関１０２を制御することができる。例えば、負荷が増大している場合には内燃機関１０２への燃料供給を増やし、負荷が低下している場合には内燃機関１０２への燃料供給を減らす等の内燃機関１０２の制御に適用することができる。また、燃焼状態から内燃機関１０２の異常を把握することができる。また、燃焼ガスの窒素酸化物（ＮＯｘ）や硫黄酸化物（ＳＯｘ）を分析対象とすることもできる。燃焼ガスの窒素酸化物（ＮＯｘ）や硫黄酸化物（ＳＯｘ）の濃度は空気過剰率に依存するので、空気過剰率に応じて内燃機関１０２への空気の供給量を制御することによって窒素酸化物（ＮＯｘ）や硫黄酸化物（ＳＯｘ）の排出量を抑制することができる。

【0077】

また、内燃機関１０２の燃焼状態の評価結果及び内燃機関１０２の性能の評価結果の少なくとも一方を内燃機関１０２を管理する管理部門に情報通信網を介して伝達するような処理を行ってもよい。これにより、内燃機関１０２の燃焼状態や性能の評価結果を管理部門においても連続的、又はバッチ的に取得し内燃機関１０２や運航の管理に役立てることができる。なお、管理部門としては、例えば船舶のブリッジや運航管理会社等が挙げられる。

【0078】

［燃焼ガスのサンプリングポイントの最適化］
以下、内燃機関１０２から排出された燃焼ガスをサンプリング管２０によってサンプリングする際の好適な場所（サンプリングポイント）について考察する。

【0079】

図１４は、サンプリング管２０の端部を内燃機関１０２の排気弁箱に挿入して、内燃機関１０２の排気弁箱に燃焼ガスのサンプリングポイントを設けた構成を示す。このような構成では、図１５に示すように、空気過剰率の実測値（丸印）が理想値（太実線）から大きく外れてしまう。

【0080】

これに対して、図１６は、サンプリング管２０の端部を内燃機関１０２の排気弁箱と排気レシーバ１０４とを繋ぐ接続管１６に挿入して、接続管１６に燃焼ガスのサンプリングポイントを設けた構成を示す。接続管１６は、内燃機関１０２のシリンダの上部に設けられた排気弁箱から横引きされて排気レシーバ１０４に繋げられる。また、サンプリングポイントは、接続管１６の上部から下方に向けてサンプリング管２０の端部を挿入するように設けている。このような構成では、図１７に示すように、空気過剰率の実測値（丸印）と理想値（太実線）との一致度が高くなる。

【0081】

以上のように、燃焼ガスのサンプリングポイントは、内燃機関１０２のシリンダの上部から横引きされ、排気レシーバ１０４に繋がる接続管１６に設けることが好適である。また、サンプリングポイントは、接続管１６の上部から下方に向けて設けることが好適である。なお、サンプリングポイントとは、サンプリングする場所、サンプリングする端部、サンプリングを行うパーツのいずれも指すものと解釈できる。

【産業上の利用可能性】

【0082】

本発明は、２サイクル式の舶用ディーゼル機関等の内燃機関における燃焼ガスを分析するために適用することができる。例えば、本発明における燃焼ガス分析システム及び燃焼ガス分析方法は、内燃機関の運転制御に適用することができる。また、例えば、内燃機関メーカーや石油会社等での内燃機関における燃料の燃焼に対する評価に適用することができる。

【符号の説明】

【0083】

１０ シリンダ、１２ ピストン、１４ 排気弁、１６ 接続管、２０ サンプリング管、２２ サンプリング弁、２４ 逆止弁、２６ バッファタンク、２８、３０ パージ弁、３２ ガス分析器、３４ 分析コンピュータ、３６ 制御コンピュータ、３８ バルブドライバ、４０ ピストンポジションセンサ、４２ クランク角度エンコーダ、４４ シャット弁、４６ サンプリング弁、４８ パージ弁、５０ サンプリング弁、１００，１１０，１２０ 燃焼ガス分析システム、１０２ 内燃機関、１０４ 排気レシーバ、１０６，１１２，１１４ サンプリング評価装置、１０８ 制御部。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】