CN103443436B - 气体发动机的控制装置 - Google Patents

Abstract

一种气体发动机的控制装置，其目的在于，即使在使用煤矿瓦斯等燃料气体浓度容易变动的燃料气体的情况下，也能够通过有效地控制气体流量调整阀，在短时间获得稳定的怠速转数，并且，容易地防止异常燃烧、失火等的发生。该气体发动机的控制装置包括：转数检测部（5），其检测气体发动机（1）的转数；气体浓度探测装置（7），其探测燃料气体的气体浓度；气体流量调整阀（4），其设在将燃料气体供应到气体发动机（1）的燃料气体管路（3）；调节促动器（21），其操纵气体流量调整阀（4）；调节控制器（10），其具有操纵量计算部（15），在气体发动机（1）的起动时，该操纵量计算部（15）根据利用气体浓度探测装置（7）探测的燃料气体的气体浓度计算调节促动器（21）的操纵量，根据该操纵量计算部（15）计算的操纵量使调节促动器（21）动作。

Description

气体发动机的控制装置

技术领域

本发明涉及一种使用电子调节器的气体发动机的控制装置，特别是在使用气体浓度容易变动的煤矿瓦斯、其它的低浓度燃料气体的情况下，也能够容易地防止异常燃烧、失火等的发生的气体发动机的控制装置。

背景技术

将甲烷、丙烷等可燃气体直接导入到气缸（燃烧室）内进行燃烧的气体发动机，通过设在朝向发动机的燃料气体通路的气体流量调整阀改变燃料气体和空气的比例，进行可靠的点火、燃烧，并且通过利用气体流量调整阀、驱动该气体流量调整阀的调节促动器来调整气体流量，由此改变发动机的输出。

在（日本）专利第3500047号专利公报（专利文献1）中公开了一种调整燃料气体供应量的技术。附图8表示现有技术的燃料控制等的大体情况。在图8中，01是发动机，02是该发动机01的曲轴，03是燃料气体管路，04是设在该燃料气体管路03的气体流量调整阀，020是电子调节器。此外，010是电子调节器020的调节控制器、021是驱动所述气体流量调整阀04的调节促动器。

根据专利文献1，调节控制器010比较从旋转检测器05输入的发动机转数的检测值和设定转数，计算出相当于该转数偏差的燃料气体流量，输出到调节促动器021。该调节促动器021与所述流量偏差相当地改变气体流量调整阀04。由此，所述气体发动机01以设定转数运转。

图9是表示现有技术的气体发动机起动后，发动机转数的变化和调节促动器输出的变化的曲线图。在发动机01从起动到怠速转数N2之间的转数中，设定了控制气体流量调整阀04的调节促动器021的输出，即改变燃料限制值的增加率的转数转变点N1。

α1和α2的关系被设定为：α2>α1，其中，α1是在从发动机停止到所述转数转变点N1之间，从相当于作为起动时燃料气体流量的初期限制值设定的调节促动器输出S1的a点到相当于转数转变点N1的调节促动器输出S2的b点为止的调节促动器输出S的增加率，α2是从该转数转变点N1到相当于怠速转数N2的调节促动器输出S3的c点为止的调节促动器输出S的增加率。

而且，通过使转数转变点N1的燃料气体流量限制值为S2、怠速转数N2的燃料气体流量限制值为S3，在到怠速转数N2为止之间，不使燃料气体的供应量上升到必要以上。

因此，在发动机的起动时，能够控制成正确地追踪发动机转数的上升而改变来自转数促动器的燃料气体流量限制值，因此能够阻止在起动时燃料气体流量急剧增大而使燃烧室内的气体浓度过高的情况发生，在起动后有适量的燃料气体供应到发动机燃烧室，实现没有失火、爆震发生的稳定的起动。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：（日本）专利第3500047号公报

发明内容

发明要解决的技术问题

但是，气体发动机将甲烷、丙烷等可燃气体作为燃料，特别是存在将在煤矿等产生的低浓度的甲烷作为燃料利用的情况。

在这种情况下，进行以在煤矿坑内的采煤作业中产生的甲烷的排出为目的的坑内换气，将排出到坑外的气体储存，作为气体发动机的燃料使用。

因此，被储存的甲烷的浓度不是恒定的，而容易变动。

另一方面，在作为气体发动机的燃料使用的情况下，空气和燃料气体（CH₄）的比例在一定范围内是获得高效运转的条件。

为此，在使用从煤矿等排出的燃料气体的情况下，有必要考虑浓度而将燃料气体供应到发动机的燃烧室。

本发明旨在解决这样的技术问题，即使在使用煤矿瓦斯等燃料气体浓度容易变动的燃料气体的情况下，同样通过有效地控制气体流量调整阀，在短时间获得稳定的怠速转数，并且容易地防止异常燃烧、失火等的发生。

解决技术问题的技术方案

为了解决相关的技术问题，本发明涉及一种使用气体浓度变化的燃料气体的气体发动机的控制装置，其特征在于，包括：转数检测部，其检测所述气体发动机的转数；气体浓度探测装置，其探测所述燃料气体的气体浓度；气体流量调整阀，其设在将所述燃料气体供应到所述气体发动机的燃料气体管路；调节促动器，其操纵所述气体流量调整阀；调节控制器，其具有操纵量计算部，在所述气体发动机的起动时，该操纵量计算部根据利用所述气体浓度探测装置探测的所述燃料气体的气体浓度计算所述调节促动器的操纵量，根据该操纵量计算部计算的操纵量使调节促动器动作。

通过这样的结构，能够根据燃料气体的浓度使调节促动器动作，所以能够在短时间获得稳定的怠速旋转。此外，能够防止异常燃烧、失火等的发生。

此外，优选地，本发明的特征在于，具有第一脉谱图，其根据所述燃料气体的气体浓度规定所述气体发动机的起动时所述调节促动器的操纵量的增加率，所述调节控制器具有调节输出增加率设定部，该调节输出增加率设定部从所述第一脉谱图读出与通过所述气体浓度探测装置探测的所述燃料气体的气体浓度对应的所述调节促动器的操纵量增加率，所述操纵量计算部根据所述增加率计算所述调节促动器的操纵量。

通过这样的结构，通过第一脉谱图设定气体流量的增加率，因此能够迅速地进行控制，在短时间获得稳定的怠速旋转。

此外，优选地，本发明的特征在于，所述第一脉谱图根据所述气体发动机的转数规定多个增加率，所述操纵量计算部根据与所述转数检测部中检测的转数对应的所述增加率计算所述调节促动器的操纵量。

通过这样的结构，根据所述气体发动机的转数规定多个增加率，因此气体流量正确地追踪转数的上升而增加。由此，能够向发动机的燃烧室供应适量的燃料气体，避免导致失火、爆震发生的情况发生。

此外，优选地，本发明的特征在于，所述调节控制器具有：上限级别设定部，其根据所述燃料气体的气体浓度和在所述转数检测部中检测的转数设定所述调节促动器的操纵量的上限值；判断部，其比较在所述操纵量计算部计算的操纵量和所述操纵量的上限值，在所述操纵量在该上限值以上的情况下，根据该上限值操纵所述调节促动器。

所述促动器的操纵量随时间一起增加，因此，如果燃烧不充分等原因导致发动机的转数不上升，发动机燃烧室的燃料气体浓度变高，发生异常燃烧或者失火。本发明通过上述结构，通过与上述发动机转数对应地选定上限值，能够防止这样的异常燃烧或者失火。

例如，在发动机转数处于怠速转数以下的起动时，气体浓度的变动等燃料气体的不稳定导致发动机转数没有像所希望的那样上升的情况下，也能够将调节促动器的操纵量抑制在所述上限值以下，所以能够容易地防止失火等的发生。

另一方面，调节促动器的操纵量在所述上限值以下时，根据燃料气体浓度，调节输出增加率设定部控制燃料气体流量的增加率，因此能够在短时间获得稳定的怠速旋转。

此外，优选地，本发明的特征在于，具有第二脉谱图，其根据所述燃料气体的气体浓度和所述气体发动机的转数规定所述操纵量的上限值，所述上限级别设定部从所述第二脉谱图读出与利用所述气体浓度探测装置探测的气体浓度对应的上限值，设定所述操纵量的上限值。

根据这样的结构，与燃料气体浓度对应，利用脉谱图适当设定所述调节促动器的操纵量的上限值，因此能够迅速地进行控制，在短时间获得稳定的怠速旋转。

此外，优选地，在本发明中所述第二脉谱图在与通过所述主室气体的运转开始对应的转数和与怠速对应的转数之间具有所述上限值，规定有与该转数的增加对应地增加所述上限值的曲线图。

根据这样的结构，随着从发动机的停止到怠速为止的转数的上升能够密集地设定所述上限值，不仅能够在短时间获得稳定的怠速旋转，而且能够细致地控制，所以具有减少燃料浪费的效果

此外，本发明的特征是，具有以上说明的任一气体供应控制装置的气体发动机。

发明的效果

根据以上所述的本发明，能够使调节促动器根据燃料气体浓度动作，能够在短时间获得稳定的怠速旋转。此外，能够容易地防止异常燃烧、失火等的发生。

附图说明

图1是本发明的实施方式涉及的气体发动机燃料控制系统的示意图。

图2是在本发明的实施方式涉及的气体发动机的燃料控制装置中，调节控制器的控制方框图。

图3是本发明的实施方式涉及的燃料控制装置的控制方框图。

图4是表示在本发明的实施方式涉及的气体发动机起动后，发动机转数的变化和调节促动器输出的变化的曲线图。

图5是表示本发明的实施方式涉及的与气体浓度和发动机转数对应的调节输出增加率的输出脉谱图示意图。

图6是与本发明的发动机转数对应的燃料气体上限级别的输出脉谱图示意图。

图7是本发明的实施方式涉及的与发动机转数对应的调节促动器的燃料气体上限级别的说明示意图。

图8表示现有技术的燃料控制系统示意图。

图9是表示现有技术中气体发动机起动后发动机转数的变化、调节促动器输出的变化的曲线图。

具体实施方式

下面，利用图示的实施方式详细地说明本发明。

但是，该实施方式公开的结构部件的尺寸、材质、形状、其相对配置等，在没有特别说明的情况下，不是为了限定本发明的范围，而只不过是单纯的说明例。

图1表示本发明的实施方式涉及的气体发动机的燃料控制系的示意图。

在图1中，1是气体发动机（以后，简称“发动机”），2是该发动机1的曲轴，3是将储存在燃料气体供应部6的燃料气体供应到发动机1的燃料气体管路，4是设在该燃料气体管路3，调整向发动机1的燃料气体供应量的气体流量调整阀，7是设在燃料气体管路3，并且在气体流量调整阀4的上游侧，配设在燃料气体供应部6之间的作为气体浓度探测装置的气体浓度探测部，20是控制发动机1的转数以及输出的电子调节器，8是控制发动机整体的发动机控制单元ECU（以后，简称“ECU”）。此外，配设在电子调节器20内的10是调节控制器，21是驱动所述气体流量调整阀4的调节促动器，5是检测发动机的转数，将检测信号输出到ECU8和调节控制器10的转数检测器。

如图2所示，调节控制器10包括：转变点转数设定部12，其在从发动机1的起动到怠速转数之间，进行为了随时间提高转数的控制设定；转数比较部11，其比较来自转数检测器5的检测值（发动机转数）和在转变点转数设定部12设定的转数；调节输出增加率设定部14，其设定调节输出增加率；调节输出增加率变更部13，其根据转数比较部11的结果改变调节输出；促动器操纵量计算部15，其根据调节输出增加率变更部13的结果，计算调节促动器21的操纵量（操纵量）。

在ECU8中配设有：调节输出增加率脉谱图16，其根据作为气体浓度检测部的气体浓度检测器7的检测值以及检测发动机转数的旋转检测器5提取调节输出增加率α；燃料气体上限级别脉谱图17，其对于在转变点转数设定部12设定的发动机转数，在实际转数不上升的情况下，提取与设定的转变点转数对应的燃料气体上限级别SLi，输出到并排设在促动器操纵量计算部15的判断部18。

而且，从燃料气体上限级别脉谱图17提取的燃料气体上限级别SLi被输出到配设在促动器操纵量计算部15的判断部18。判断部18判断在促动器操纵量计算部15计算的操纵量是否超过了与设定的转数对应的燃料气体上限级别，在超过的情况下通过配设在判断部18的上限级别设定部181限制促动器操纵量计算部15的输出。在不超过的情况下，促动器操纵量计算部15的输出被输出到调节促动器21。

根据促动器操纵量计算部15以及上限级别设定部18的结果，调节促动器21操纵设在燃料气体管路3的气体流量调整阀4，控制向发动机1的燃料气体流量。

图4表示在发动机1中从起动到怠速旋转N3的动作概要，在横轴表示了时间t，纵轴以横轴为基准，上侧表示发动机转数N（rpm），下侧表示调节促动器输出S。

在本实施方式中，表示如下情况：通过转变点转数设定部12，在从起动到怠速转数N3设定两个位置（N1、N2）的转数转变点位置。

在起动时，到某一转数位置t0为止进行通过始动空气的转数上升。

从t0的位置开始（图4的a点）主室气体供应。从调节促动器21的a点的输出S1开始，调节促动器输出随时间以调节输出增加率α1增加到b点为止。时间（t1-t0）后（t0为起点）在转数转变点N1位置，调节促动器21的输出成为S1+α1×（t1-t0），当发动机转数达到N1，调节促动器的输出变化为调节输出增加率α2。

此外，在时间t1的Δt1后的t2，调节促动器21的输出变成S1+α1×（t1-t0）+α2Δt1，发动机转数上升到N2为止。当达到N2时，调节促动器21的输出变化为调节输出增加率α3。

在t3后调节促动器21的输出变成S1+α1×（t1-t0）+α2Δt1+α3Δt2，发动机转数达到N3，达到怠速转数。

图5是调节输出增加率脉谱图16，表示与气体浓度和发动机转数（转数转变点）对应的调节输出增加率α的输出脉谱图示意图，气体浓度高，则调节输出增加率变低，气体浓度低，则调节输出增加率变高。

在图5中，气体浓度依次为β3>β2>β1。

该数据被输入到调节输出增加率设定部14，经过调节输出增加率变更部13、促动器操纵量计算部15，操纵调节促动器21，气体流量调整阀4实施气体流量调整。

但是，在图4中考虑，即使发动机转数N经过t1，也不上升到Ne以上的情况。原因是产生了不完全燃烧、燃料和吸入空气的空气燃料比变得不正确等问题。

在这种情况下，在发动机转数维持Ne的转数的状态下，调节促动器的输出经过时间变成S1+α1×（t3-t0）（在t3时刻），在发动机燃烧室继续燃料气体的供应。其结果是，燃烧室进行燃料气体的过浓化。

例如，在起动时，通过始动空气的旋转上升N0（N零）后，通过发动机1的主室气体的运转开始（t0）后，在即使经过时间t1（参照图4），发动机转数也不从Ne上升的情况下，调节促动器输出在从a点到e点（图7）

变成S1+α1×（t3-t0）（在t3时刻），在发动机燃烧室与调节促动器输出（S1+α1×（t3-t0））成比例地继续燃料气体的供应增加。因此，本发明如图7所示，在配设于促动器操纵量计算部15的判断部18的上限级别设定部181使输出限制值进行限制促动器操纵量计算部15的操纵量的限制，从而不进行作为上限级别设定值的e点以上的输出。

该判断部18根据配设在ECU8内的燃料气体上限级别脉谱图17进行控制。

如图6所示，上限级别设定值在每个燃料气体浓度通过实验等求出与发动机转数N（转数转变点）对应的燃料气体上限级别SLi，作成燃料气体上限级别脉谱图17，将其存储在ECU8（参照图2）。

图6表示决定燃料气体上限级别的燃料气体上限级别脉谱图17的示意图，在每个发动机转数（转数转变点），气体浓度高，则燃料气体上限级别变低，气体浓度第，则燃料气体上限级别变高。

在图6中，气体浓度依次为γ3>γ2>γ1。

此外，燃料气体上限级别（虚线）是相对于发生异常燃烧、失火的空气燃料比具有余量的值。

图7表示与本实施方式涉及的发动机转数对应的调节促动器的燃料气体上限级别的说明示意图。

起动时，在通过始动空气的旋转上升N0（N零）后，在通过发动机1的主室气体的运转开始（t0）后，调节促动器21的输出以α1从a点进行到b点。在发动机转数不上升到Ne以上的情况下，调节燃料气体上限级别变成到达S1和SL1之间的SLe，不进行其以上的输出。

而且，发动机转数N在从a点到b点以α1顺利地上升，但在从b点到c点之间，在发动机转数没有达到N2，不上升到Nf以上的情况下，调节燃料气体上限级别成为到达SL1和SL2之间的SLf，不进行其以上的输出。

在图2的说明中通过调节输出增加率脉谱图16、燃料气体上限级别脉谱图17获得对应于各气体浓度的曲线图，之后通过曲线图与发动机转数对应地设定增加率α、上限级别SL，但也可以根据气体浓度检测和转数通过所述脉谱图直接提取增加率α、上限级别SL。（在图3的控制流程中是这样说明的。）

图3表示本实施方式的控制流程图，从步骤S1开始，在步骤S2中，在转变点转数设定部12提前设定用于阶段性地改变增加率α以及上限级别SL的转数转变点N1、N2……。

之后在步骤S3检测燃料气体的气体浓度（例如甲烷“CH₄”），输出到ECU8。在步骤S4检测发动机转数（rpm），输出到ECU8。（此外，步骤S2、S3的顺序没有限制）在步骤S5根据气体浓度%和发动机转数N在调节输出增加率脉谱图16提取调节输出增加率α，输出到调节输出增加率设定部14。在步骤S6，调节输出增加率设定部14决定调节输出增加率α。在步骤S7，比较转数转变点N1和实际转数。在转数转变点N1>实际转数的情况下，选择YES进入步骤S8。（实际发动机转数进入在转数转变点设定部12设定的区间（N0～N1）的情况）

此外，在转数转变点N1<实际转数的情况（实际发动机转数在转数转变点设定部12设定的区间（N0～N1）→（N1～N2）过渡的情况）下，选择NO进入步骤S14，在步骤S14将调节输出增加率改变为α1→α2，返回步骤S6。

在转数转变点N1>实际转数的情况下，在步骤S8，在促动器操纵量计算部15进行促动器操纵量的计算。在步骤S9，比较燃料气体上限级别和计算的促动器操纵量。

在燃料气体上限级别SLi（在此，成为在从S1到SL1之间线性插补的SLi）>计算的操纵量的情况下，判断为没有达到燃料气体上限级别SLi，选择YES进入步骤S10，在步骤S10选定计算的操纵量。

另一方面，在燃料气体上限级别SLi<计算的操纵量的情况下，判断为达到了燃料气体上限级别SLi，进入步骤S11。在步骤S11中，因为增加这以上的燃料气体供应率导致失火、异常燃烧等，所以上限级别设定部18动作，选定燃料气体限制值。

在步骤S12中，调节促动器21根据步骤S10或者步骤S11的结果进行动作，在步骤S13中气体流量调整阀4被操纵，进行向发动机1的燃料气体供应控制。

通过上述的方式，从发动机起动到怠速转数为止的每个转数转变点检测燃料气体的浓度，根据该浓度改变调节输出增加率，并且在每个转数转变点设置燃料气体供应限度值，由此防止在燃烧室中的燃料气体的过浓或者稀薄，防止燃料气体的异常燃烧或者失火等，能够迅速并且可靠地实施从发动机起动到怠速转数为止的转数上升。

此外，即使在使用煤矿瓦斯等燃料气体浓度容易变动的燃料气体的情况下，通过在转数转变点设定部12设定的每个区间（N0～N1）、（N1～N2）、（N2～N3）设置燃料气体供应限度值，不仅防止甲烷气体浓度降低导致的失火，而且能够抑制不必要的燃料气体排出，因此对节能、环境等带来良好效果。

产业上的利用可能性

适用于气体发动机的控制装置，将在煤矿等坑内发生的甲烷等作为燃料气体直接导入气缸（燃烧室）内，根据导入的燃料气体的浓度改变燃料气体导入量，能够可靠并且迅速地实施从发动机的起动到怠速转数为止的转数上升。

符号说明

1 发动机 3 燃料气体管路 4 气体流量调整阀 5 转数检测器 6 燃料气体供应部 7 气体浓度探测部 8 ECU（发动机控制单元） 10 调节控制器 12转数转变点设定部 13调节输出增加率变更部 14 调节输出增加率设定部15 促动器操纵量计算部 16 调节输出增加率脉谱图 17 燃料气体流量限制脉谱图 21 调节促动器。

Claims (5)

1.一种气体发动机的控制装置，其使用气体浓度变化的燃料气体，其特征在于，包括：

转数检测部，其检测所述气体发动机的转数；

气体浓度探测装置，其探测所述燃料气体的气体浓度；

气体流量调整阀，其设在将所述燃料气体供应到所述气体发动机的燃料气体管路；

调节促动器，其操纵所述气体流量调整阀；

调节控制器，其具有操纵量计算部，并且根据该操纵量计算部计算的操纵量使所述调节促动器动作，在从起动所述气体发动机到达到怠速转数为止的所述气体发动机的起动时，该操纵量计算部基于所述调节促动器的操纵量的增加率，计算所述调节促动器的操纵量，所述调节促动器的操纵量的增加率是根据利用所述气体浓度探测装置探测到的所述燃料气体的气体浓度以及在所述转数检测部中检测到的转数而规定的；

所述调节控制器还具有：

转变点转数设定部，其在从起动所述气体发动机到达到所述怠速转数为止的期间，设定至少一个转变点转数；

第一脉谱图，其根据所述燃料气体的气体浓度及所述气体发动机的转数，规定起动所述气体发动机时的所述调节促动器的操纵量的多个增加率；

关于所述第一脉谱图规定的所述调节促动器的操纵量的多个增加率，与所述燃料气体的气体浓度低时的所述调节促动器的操纵量的增加率相比，气体浓度高于该气体浓度时的所述调节促动器的操纵量的增加率更小，并且，与从初始转数到达到所述转变点转数设定部所设定的转变点转数为止的期间的所述调节促动器的操纵量的增加率相比，从所述转变点转数到所述怠速转数为止的期间的所述调节促动器的操纵量的增加率更大，

所述调节控制器还具有调节输出增加率设定部，该调节输出增加率设定部从所述第一脉谱图，读出与利用所述气体浓度探测装置探测到的所述燃料气体的气体浓度以及利用所述转数检测部检测到的所述气体发动机的转数对应的所述调节促动器的操纵量的增加率，

所述操纵量计算部根据由所述调节输出增加率设定部读出的所述调节促动器的操纵量的增加率，计算所述调节促动器的操纵量。

2.根据权利要求1所述的气体发动机的控制装置，其特征在于，

所述调节控制器具有：

上限级别设定部，其根据所述燃料气体的气体浓度及所述气体发动机的转数，设定所述调节促动器的操纵量的上限值；

判断部，其比较在所述操纵量计算部计算的操纵量和由所述上限级别设定部设定的所述操纵量的上限值，在所述操纵量在所述操纵量的上限值以上的情况下，根据所述操纵量的上限值操纵所述调节促动器。

3.根据权利要求2所述的气体发动机的控制装置，其特征在于，

具有第二脉谱图，其根据所述燃料气体的气体浓度和所述气体发动机的转数规定所述操纵量的上限值，

所述上限级别设定部从所述第二脉谱图，读出与利用所述气体浓度探测装置探测到的气体浓度以及在所述转数检测部中检测到的转数对应的上限值，设定所述操纵量的上限值。

4.根据权利要求3所述的气体发动机的控制装置，其特征在于，

在所述第二脉谱图中，在从起动所述气体发动机到达到所述怠速转数为止的期间规定所述上限值，所述上限值随着所述转数的增加而变大。

5.一种气体发动机，其具有根据权利要求1至4中任一项所述的气体发动机的控制装置。