CN105026738B - 燃气发动机的燃烧控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种燃气发动机的燃烧控制装置，在对发生爆震的气缸实施气体燃料的停止或减少后，通过适当地进行使其再次增加而恢复到最佳运转状态时的恢复控制，来防止在恢复时陷入失火等不稳定燃烧状态，具备：爆震判定机构(49)，其判定是否发生爆震；爆震减轻机构(55)，其对发生爆震的气缸停止或减少气体燃料的供给，对没有发生爆震的其他气缸减少气体燃料的供给；第一恢复机构(57)，其使发生爆震的气缸从气体燃料停止或减少状态恢复；第二恢复机构(59)，其使发生爆震的气缸之外的其他气缸从气体燃料的减少状态恢复，使第一恢复机构(57)的恢复时间比第二恢复机构(59)的恢复时间短，优先进行发生爆震的气缸的恢复。

Description

燃气发动机的燃烧控制装置
技术领域
本发明涉及燃气发动机的燃烧控制装置，特别是涉及对爆震进行控制的燃烧控制装置。
背景技术
从使用清洁能源的观点出发，配备了利用燃气发动机的发电设备，该燃气发动机使用天然气、城市燃气作为主要燃料。
为了使其稳定且高效地运行，进行在各气缸设置的燃料供给阀的控制以及点火正时的控制，但是有时会产生爆震、失火等异常燃烧。需要对该爆震、失火等异常燃烧进行早期检测，从而避免异常燃烧的产生。
为了避免爆震，会对产生爆震的气缸停止或减少燃料的供给，并且使点火正时延迟。例如，公知专利文献1(特许第4688916号公报)、专利文献2(特许第4247842号公报)。
在该专利文献1中，检测燃气发动机的各个气缸的排气温度，检测发生爆震或失火的气缸，执行负荷平均化控制，减少对排气温度最大的气缸的燃料供给量，增加对排气温度最小的气缸的燃料供给量，并且对于发生爆震或失火的气缸，使燃料的供给停止或减少规定期间。另外，将产生爆震或失火的气缸从所述负荷平均化控制的气缸中排除，从而对其实施应对爆震或失火的措施。
并且，在专利文献2中，公开了燃气发动机的爆震控制装置，基于爆震传感器所检测的爆震的大小在规定值以上的爆震的发生频度的计算值，对各气缸中的发生频度的平均值与该气缸中的发生频度进行比较，如果该气缸中的发生频度与发生频度的平均值相比在规定频度以上，则减少对该气缸的气体喷射量，如果该气缸中的发生频度与发生频度的平均值相比在规定频度以下，则增加对该气缸的气体喷射量。
并且，同样对使先导燃料喷射正时中的喷射正时以及火花塞点火正时的点火正时延迟或提前进行了公开。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：(日本)特许第4688916号公报
专利文献2：(日本)特许第4247842号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
但是，在前述专利文献1及专利文献2中，均公开了对产生爆震的气缸停止或减少气体燃料的供给，并且，使点火正时延迟作为产生爆震或失火时的应对技术，而没有公开在执行应对控制后再次执行使气体燃料增加或者气体燃料的喷射正时、点火正时恢复的恢复控制。
并且，如果不能恰当地进行该恢复控制，则存在在恢复时再次产生失火、爆震的问题。尤其是通过使气体燃料的供给停止或减少来作为应对爆震的措施的情况下，燃烧室内的温度降低。因此，在气体燃料的恢复控制中仅进行增加的情况下，存在在恢复时再次产生失火等异常燃烧的隐患。
于是，本发明是鉴于上述技术问题而做出的，其目的在于提供一种燃气发动机的燃烧控制装置，作为应对燃气发动机中的爆震的措施，在对发生爆震的气缸实施气体燃料的供给的停止或减少后，适当地进行使其再次增加而恢复到最佳运转状态时的恢复控制，来防止在恢复时陷入失火等不稳定燃烧状态。
用于解决技术问题的技术方案
本发明是为了解决上述课题而做出的，在燃气发动机的燃烧控制装置中，具备：爆震判定机构，其判定各气缸是否发生爆震；爆震减轻机构，其在利用该爆震发生判定机构判定发生爆震时，对发生爆震的气缸停止或减少气体燃料的供给，对没有发生爆震的其他气缸减少气体燃料的供给；第一恢复机构，其在所述停止或减少后判定为没有发生爆震时，并且对于所述发生爆震的气缸，使其从气体燃料停止或减少状态恢复；第二恢复机构，其对于所述发生爆震的气缸之外的其他气缸，使其从气体燃料减少状态恢复，使所述第一恢复机构的恢复时间比所述第二恢复机构的恢复时间短，优先进行发生爆震的气缸的恢复。
根据本发明，在判定发生爆震时，对发生爆震的气缸停止或减少气体燃料的供给，对没有发生爆震的其他气缸减少气体燃料的供给。
由此，对于发生爆震的气缸，使空燃比向减小侧移动从而能够抑制爆震的发生。并且，为了防止过负荷，对于没有发生爆震的其他气缸，利用基于规定的发电输出降低的负荷降低指示，能够减少气体燃料。
利用该气体燃料的减少或停止能够抑制爆震的发生，随后，在利用爆震判定机构判定没有发生爆震时，使该减少或停止的气体燃料的供给恢复，使其恢复到原状态即相对于要求负荷的要求气体燃料量。
对于发生爆震的气缸而言，该恢复是利用第一恢复机构使其从气体燃料的停止或减少状态恢复，对于发生爆震的气缸之外的其他气缸，是利用第二恢复机构使其从气体燃料的减少状态恢复。而且，使第一恢复机构的恢复时间比第二恢复机构的恢复时间短，优先进行发生爆震的气缸的恢复。
因此，首先使发生爆震的气缸恢复，如果没有再次发生异常，即在确认是否再次发生爆震、失火等异常燃烧之后，能够使没有发生爆震的其他气缸完成恢复。因此，能够可靠且稳定地进行恢复控制。
并且，在本发明中，优选所述第一恢复机构及第二恢复机构构成为，在利用所述爆震减轻机构使气体燃料的供给停止或减少后的规定时间内，没有发生爆震时开始进行恢复控制。
这样，通过在利用爆震减轻机构使气体燃料的供给停止或减少后设置规定时间的待机时间，能够判定在该期间是否再次发生爆震，因此能够可靠且稳定地进行恢复控制。
并且，在本发明中，优选所述第一恢复机构的气体燃料的增加率设定为比所述第二恢复机构的气体燃料的增加率大。
这样，通过使第一恢复机构的气体燃料的增加率比第二恢复机构的气体燃料的增加率大，能够使第一恢复机构的恢复时间比第二恢复机构的恢复时间短。
另外，优选将第一恢复机构设定为在短时间内，例如开始进行恢复控制后的2～3秒内恢复。通过减少气体燃料，能够有效地应对爆震，但是另一方面，燃烧室内温度由于燃烧温度的降低而降低，因此如果在恢复时逐渐增加气体燃料，则会显现燃烧的不稳定性，存在失火的隐患。因此，通过连续地实施气体燃料的增量，能够避免这样不稳定的恢复。
并且，在本发明中，优选利用所述爆震减轻机构使发生爆震的气缸减少的气体燃料减少量设定为比利用所述爆震减轻机构使没有发生爆震的其他气缸减少的气体燃料减少量大。
为了抑制爆震，对于发生爆震的气缸，气体燃料减少量是用于使空燃比向减小侧移动的气体燃料减少量，对于没有发生爆震的其他气缸，如果发生爆震的气缸为一个气缸，则其他气缸分担的负荷分担相应地增加，为了防止过负荷，气体燃料减少量是伴随着发电输出的负荷降低的减少量。
因此，通过将对于发生爆震的气缸的气体燃料减少量设定为比没有发生爆震的其他气缸大，能够有效地进行爆震的减轻控制。
并且，在本发明中，优选在所述规定时间内再次发生了爆震的情况下，在该时刻进一步追加利用所述爆震减轻机构设定的气体燃料的减少量而使气体燃料减少。
这样，在待机时间中再次发生爆震的情况下，在该时刻，通过进一步降低气体燃料供给量来稳定地进行爆震的减轻和之后的恢复控制。
发明的效果
根据本发明，作为应对燃气发动机中的爆震的措施，在对发生爆震的气缸实施气体燃料的停止或减少之后，通过适当地进行使其再次增量而恢复到最佳运转状态时的恢复控制，能够防止在恢复时陷入失火等的不稳定燃烧状态。
即，利用第一恢复机构使其从气体燃料的停止或减少状态恢复，对于发生爆震的气缸之外的其他气缸，利用第二恢复机构使其从气体燃料的减少状态恢复。
在使气体燃料增量而进行恢复时，使第一恢复机构的恢复时间比第二恢复机构的恢复时间短，优先完成发生爆震的气缸的恢复，在确认再次发生爆震之后，使没有发生爆震的其他气缸的恢复结束。由此，能够可靠且稳定地进行恢复控制。
附图说明
图1是表示本发明第一实施方式的燃气发动机的燃烧控制装置的整体结构的系统图。
图2是表示图1所示的燃气发动机的燃烧室周围的结构的部分剖面的说明图。
图3是燃烧控制装置的流程图。
图4表示恢复机构的气体燃料的恢复状态，图4(A)表示发生爆震的气缸之外的其他气缸的情况，图4(B)表示发生爆震的气缸的情况，图4(C)表示比较例。
图5是以横轴为空燃比入、以纵轴为发动机输出P，表示爆震区域与失火区域的说明图。
具体实施方式
以下，使用附图对本发明的实施方式详细地进行说明。需要说明的是，在以下实施方式中所记载的构件的尺寸、材质、形状以及其相对配置等，只要没有特定的记载，就不是对本发明的范围进行限定，只不过是简单的说明例。
图1表示本发明第一实施例的燃气发动机的燃烧控制装置的整体结构，图2是燃烧室周围的部分剖面图。
在图1中，燃气发动机(以下简称为发动机)1以天然气、城市燃气等气体燃料作为主要燃料，是多缸四冲程发动机。在发动机1的曲轴2上设有飞轮3，在飞轮3上直接安装有发电机5。
并且，设有对向发动机1的各气缸内供给的气体燃料的供给量进行控制的气体燃料控制装置7，以及对供给到各气缸内的气体燃料进行点火的点火装置9。
如图2所示，具备在气缸11内往复滑动自如地嵌合的活塞13、由活塞13的上表面与气缸体15的内表面之间划分形成的主燃烧室17、与该主燃烧室17连接的进气口19、开闭该进气口19的进气阀21等。
并且，在进气口19上游侧的进气管23上设有气体混合器25，该气体混合器25与气体供给管27连接，在气体混合器25对通过设置于气体供给管27而对燃料气体量进行调整的气体调整阀29供给的燃料气体和通过进气管23供给的空气预先进行混合。
而且，预先混合的混合气体经过进气口19而到达进气阀21，通过使进气阀21开阀而被供给到主燃烧室17。
此外，在每个气缸上都分别设有图2所示的进气管23、气体供给管27、设置在该气体供给管27上的气体调整阀29及气体混合器25。
并且，在形成每个气缸的主燃烧室17的上部的气缸盖31上分别设有点火装置9。该点火装置9成为设置未图示的副燃烧室(副室)及火花塞的构造，利用火花塞对供给到副室内的副室用燃料气体进行点火，使在副室内生成的火焰喷射到主燃烧室17内，使主燃烧室17内的混合气体燃烧。
该点火装置9基于来自转速传感器42、曲轴角度传感器45、负荷传感器47的信号，在合适的正时利用火花塞进行点火而使火焰喷射到主燃烧室17内。
并且，主燃烧室17与排气口35连接，通过使排气阀37开阀而使燃烧后的排气从主燃烧室17排出。并且，在排气口35的下流侧连接有未图示的排气管39，在排气管39上安装有未图示的排气增压器。
并且，在每个气缸内设置有检测主燃烧室17内的缸内压力的缸内压力传感器41，在飞轮3上设有检测发动机转速的转速传感器42及曲轴角度传感器45，在发电机5上设有检测发电机5的负荷即发动机负荷的负荷传感器47。
来自这些各传感器的信号输入到后述燃烧控制装置43。
接着，对具备以上结构的发动机1的燃烧控制装置43进行说明。
如图1所示，燃烧控制装置43具备爆震判定机构49，该爆震判定机构49主要基于来自所述缸内压力传感器41的信号而根据各气缸主燃烧室17内的缸内压力的变化来判定燃烧状况是否处于异常燃烧状态，尤其是是否发生爆震。
并且，具有爆震减轻机构55，该爆震减轻机构55包括在利用该爆震判定机构49判定发生爆震时对发生爆震的气缸停止或减少气体燃料的供给的第一爆震减轻机构51，以及对发生爆震的气缸之外的其他气缸减少气体燃料的供给的第二爆震减轻机构53。
第一爆震减轻机构51对于正发生爆震的气缸进行气体燃料的停止或减少。因此，通过对设置于气体供给管27的气体调整阀29的开度进行控制，来进行气体燃料的停止或减少。
例如，可以在判定发生爆震的时刻，设定减少率使此时的供给量减少2～3％。另外，由于减少控制复杂，可以进行使气体燃料的供给一律停止的处理。
该2～3％的减少量是为了抑制爆震，使空燃比向减小侧移动所需的气体燃料减少量。
并且，第二爆震减轻机构53对于发生爆震的气缸之外的其他气缸进行气体燃料的减少。在这种情况下，由于是没有发生爆震的气缸，不进行用于使空燃比向减小侧移动的气体燃料的减少，如果发生爆震的气缸为一个气缸，则其他气缸分担的负荷相应地增加(通过使调速(力バナ)机构动作而使其他气缸的负荷增大)，为了防止过负荷，进行发电输出的负荷降低。
例如，设想在以约50％的负荷运转中十八个气缸中的一个气缸发生爆震而停止气体燃料的供给的情况，进行发电输出的2～3％KW的负荷降低，设定相应的气体燃料的减少量。
如上所述，通过使对于发生爆震的气缸与发生爆震的气缸之外的其他气缸的气体燃料的减少量不同地进行减少，能够得到高效的爆震抑制效果。
另外，具备第一恢复机构57和第二恢复机构59，第一恢复机构57在利用所述第一、第二爆震减轻机构51、53使气体燃料停止或减少的状态下待机规定时间期间，在判定为没有再次发生即没有发生爆震时，使所述发生爆震的气缸从气体燃料的停止或减少状态恢复到爆震发生前的气体燃料量，第二恢复机构59使所述发生爆震的气缸之外的其他气缸从气体燃料的减少状态恢复到扭矩下降前的气体燃料量。
而且，燃烧控制装置43还构成为，使所述第一恢复机构57的恢复时间比所述第二恢复机构59的恢复时间短，与没有发生爆震的其他气缸相比优先进行发生爆震的气缸的恢复。
这样，首先使发生爆震的气缸恢复，如果没有再次发生异常，即已经确认或正在确认是否再次发生爆震、失火等异常燃烧，则对于没有发生爆震的其他气缸使恢复结束。因此，能够可靠且稳定地进行恢复控制。
并且，利用燃烧控制装置43的所述第一爆震减轻机构51、第二爆震减轻机构53，进而利用第一恢复机构57、第二恢复机构59进行的气体燃料的减少或恢复通过控制构成气体燃料控制装置7的所述气体调整阀29的开度来进行。
接着，参照图3的流程图，对燃烧控制装置43的控制流程进行说明。
首先，开始运转，在步骤S1中，检测各气缸的缸内压力。在步骤S2中，进行爆震的判定，判定是否发生爆震，在判定为发生爆震为止反复进行判定，在发生爆震的情况下，在步骤S3中指定发生爆震的气缸。
接着，在步骤S4中，对发生爆震的气缸进行气体燃料量的减少或停止，使空燃比向减小侧移动(图4(B)的时序图中的t0)。在之后的步骤S5中，在气体量减少或停止状态下待机一定时间(图4(B)的时序图t0～t1)。
然后，在步骤S6中，判定在该待机中是否发生爆震。在步骤S6中判定没有发生爆震的情况下，在步骤S7中，使其恢复时间ta(图4(B)的时序图中的t1～t2)。在之后的步骤S8中，判定在该恢复动作中是否发生爆震。
如果在步骤S8中判定为未发生爆震，则在步骤S9中认为完成恢复而结束处理。
另外，如果在步骤S8中判定发生爆震，则返回步骤S4重复进行上述处理。
另一方面，在步骤S3中指定发生爆震的气缸之后，接着，在步骤S10中，对没有发生爆震的其他气缸进行气体燃料量的减少(图4(A)的时序图中的t0)。为了防止过负荷，该气体燃料量的减少被设定为与发电输出的2～3％KW的负荷降低相对应的气体燃料的减少量。
之后，在步骤S11中，在气体量减少状态下待机一定时间(图4(A)的时序图中的t0～t1)。
然后，在步骤S12中，判定在该待机中是否发生爆震。在步骤S12中判定为未发生爆震的情况下，在步骤S14中使其以时间tb(图4(A)的时序图中的t1～t3)恢复。在之后的步骤S15中，判定在该恢复动作中是否发生爆震。
如果在步骤S15中判定为没有发生爆震，则在步骤S16中认为完成恢复而结束处理。
并且，如果在步骤S15中判定为发生爆震，则返回步骤S10重复以上处理。
以上步骤S10～S16与步骤S4～S9是相同的处理流程。
并且，在步骤S6及步骤S12中，在待机中发生爆震的情况下，进入步骤S13，对于所有气缸，进行一定的负荷降低且执行伴随着该负荷降低的气体燃料量的减少。
图4表示利用第一恢复机构57、第二恢复机构59进行恢复的恢复状态。
图4(A)是针对发生爆震的气缸之外的其他气缸，表示的是使用第二恢复机构59的情况，图4(B)是针对发生爆震的气缸，表示的是使用第一恢复机构57的情况，图4(C)是比较例，表示的是使所有气缸减少与一定的负荷降低对应的气体燃料的供给量的示例。
图4(C)的比较例，如图所示，从对于所有气缸进行一定的负荷降低开始，在经过待机时间后，使其以恢复时间tb(在本发明中为比恢复时间ta长的时间)恢复，因此从燃烧室内温度降低的状态开始，在恢复时逐渐对气体燃料进行增加，显现出燃烧不稳定性，容易产生失火。
像本实施方式那样，通过在恢复时间ta(比恢复时间tb短的时间)内连续地实施气体燃料的增加，能够避免这样的不稳定的恢复。
并且，如图4(A)、图4(B)所示，使第一恢复机构57及第二恢复机构59的恢复开始与t1同时开始，但也可以使图4(A)所示的第二恢复机构59的开始时刻从利用第一恢复机构57进行的恢复结束的t2时刻开始。这样，通过从第一恢复机构57的恢复完成的t2时刻开始，能够确认在发生爆震的气缸的恢复中没有再次发生爆震、失火，随后通过使发生爆震的气缸之外的其他气缸恢复，能够稳定且可靠地进行恢复控制。
图5表示产生发动机1的异常燃烧(爆震、失火)的区域，以横轴为空燃比入、以纵轴为发动机输出P来表示各个区域。
本实施方式的发动机1进行高输出运转，在P1点，大致以一定转速运转。由于发电负荷、环境条件的波动等，容易向爆震区域的运转点P2移动。在向爆震区域移动的情况下，从爆震区域到通常运转区域需要通过降低输出或减小空燃比来应对。
在本实施方式中，对于发生爆震的气缸，通过使该运转时刻的气体燃料量减少2～3％，使空燃比向减小侧移动，从而避免爆震。
根据以上本实施方式，作为应对发动机1中的爆震的措施而对发生爆震的气缸实施气体燃料的停止或减少，在之后的向最佳运转状态恢复的恢复控制中，适当地使气体燃料增量，因此能够防止在恢复中陷入失火等不稳定燃烧状态。
即，利用第一恢复机构57使其从气体燃料的停止或减少状态恢复，对于发生爆震的气缸之外的其他气缸，利用第二恢复机构59使其从气体燃料的减少状态恢复。
在该恢复时，使第一恢复机构57的恢复时间比第二恢复机构59的恢复时间短，以发生爆震的气缸的恢复为优先，其次完成没有发生爆震的其他气缸的恢复，因此能够可靠且稳定地进行恢复控制。
工业实用性
根据本发明，作为应对燃气发动机中的爆震的措施，在对发生爆震的气缸实施气体燃料的停止或减少后，通过适当地进行使其再次增加而恢复到最佳运转状态时的恢复控制，能够防止陷入失火等不稳定燃烧状态，因此适合在用于发电机的燃气发动机的燃烧控制装置中使用。
附图标记说明
1 发动机(燃气发动机)
5 发电机
7 气体燃料控制装置
9 点火装置
41 缸内压力传感器
42 转速传感器
43 燃烧控制装置
45 曲轴角度传感器
47 负荷传感器
49 爆震判定机构
51 第一爆震减轻机构
53 第二爆震减轻机构
55 爆震减轻机构
57 第一恢复机构
59 第二恢复机构

Claims (5)

1.一种燃气发动机的燃烧控制装置，其特征在于，具备：
爆震判定机构，其判定各气缸是否发生爆震；
爆震减轻机构，其在利用该爆震判定机构判定发生爆震时，对发生爆震的气缸停止或减少气体燃料的供给，并且对没有发生爆震的其他气缸减少气体燃料的供给；
第一恢复机构，其在所述停止或减少后判定为没有发生爆震时，对于所述发生爆震的气缸，使其从气体燃料停止或减少状态恢复；
第二恢复机构，其对于所述发生爆震的气缸之外的其他气缸，使其从气体燃料减少状态恢复，
使所述第一恢复机构的恢复时间比所述第二恢复机构的恢复时间短，优先进行发生爆震的气缸的恢复。
2.根据权利要求1所述的燃气发动机的燃烧控制装置，其特征在于，
第一恢复机构及第二恢复机构构成为，在利用所述爆震减轻机构使气体燃料停止或减少后的规定时间内没有发生爆震时，开始进行恢复控制。
3.根据权利要求1所述的燃气发动机的燃烧控制装置，其特征在于，
所述第一恢复机构的气体燃料的增加率设定为比所述第二恢复机构的气体燃料的增加率大。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的燃气发动机的燃烧控制装置，其特征在于，
利用所述爆震减轻机构使发生爆震的气缸减少的气体燃料减少量设定为比利用所述爆震减轻机构使没有发生爆震的其他气缸减少的气体燃料减少量大。
5.根据权利要求2所述的燃气发动机的燃烧控制装置，其特征在于，
在所述规定时间内再次发生了爆震的情况下，进一步追加利用所述爆震减轻机构设定的气体燃料的减少量而使气体燃料减少。
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