JP2004257257A - Gas engine with controlling mechanism of fuel injection quantity during startup - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼が不安定な始動時における燃料噴射量の制御機構を備えたガス機関に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図7は、従来のガス機関200の空気及び燃料ガスの流通経路を示す系統略図である。ガス機関200では、空気と主室へ供給する燃料ガス(主室燃料ガス)とがミキサで混合されて予め設定された空気過剰率の混合気を形成し、混合気は過給機(T/C)で圧縮され、インタクーラ(I/C)で冷却された後、スロットルで供給量が調整されてシリンダ(燃焼室・主室)へ供給されるようになっている。ミキサの構成は、例えば特許文献1に記載されている。
【0003】
【特許文献1】
実開平5−19547号公報
【0004】
また、燃料ガスは副室へも直接供給可能となっており、副室へ供給する燃料ガスは、ガス機関200が始動する際には始動用補助管を介してインタクーラとスロットルの間に供給され、機関回転数が定格回転数の40〜60%程度となり燃焼が安定すると始動用補助管経由による主室への燃料の供給を遮断し、代わりに副室へ燃料(副室燃料ガス)を供給するようになっている。
【0005】
ところで、吸気弁と排気弁とが同時に開くオーバラップ期間においては、混合気が仕事をすることなく排気通路から排出されてしまう。一方、高出力化を図るには掃気効率の観点からノッキング限界を悪化させない為にオーバラップ期間は長く設定する必要がある。しかしこのガス機関200では、過給機(コンプレッサ)より上流側に設けたミキサで燃焼用の混合気を生成して燃焼室(主室)へ混合気を供給するため、従来のガス機関200では高出力化と燃費の改善が図りにくい。また、燃焼室内の空気過剰率を速やかに変更することができないので、機関回転数が定格回転数に達するまで時間がかかる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明では、燃焼室内の空気過剰率を応答よく変化させることができ、始動時における燃焼を速やかに安定させることができるガス機関を提供することを課題としている。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため請求項1の発明では、燃焼室へ空気を供給する空気供給通路の燃焼室近傍に燃料を供給する燃料供給手段を設け、前記燃焼室内の空気過剰率が可燃範囲を逸脱することにより生じるエンジンストールと、定格回転数を超えるオーバシュートを回避可能に前記燃料供給手段による燃料の供給量を調整するPID制御手段を備え、機関回転数が燃焼室内の空気過剰率が過濃となることにより可燃範囲を逸脱する前の所定の第1機関回転数に達した際に、前記PID制御手段により燃料の供給量を調整することにより機関回転数を定格回転数に速やかに近づけるようにした。
請求項2の発明では請求項1の発明において、クランキング開始時から機関回転数が定格回転数の50〜100%の範囲内に達するまでの前記燃料供給手段による1サイクル当りの燃料供給量を一定に保ち、かつ、前記燃料供給量を無負荷定格回転数で運転する際に必要な燃料供給量の1〜4倍に設定した。
請求項3の発明では請求項1の発明において、ガス機関各部を冷却する潤滑油の温度を検出する潤滑油温度検出手段を設け、前記潤滑油温度検出手段により検出された潤滑油温度が高くなるほど1サイクル当りの燃料供給量を少なくするように前記燃料供給手段を設定した。
請求項4の発明では、主室と副室とを設けたガス機関において、主室へ空気を供給する空気供給通路の主室近傍に燃料を供給する第1燃料供給手段を設け、主室を介さずに副室へ直接燃料を供給する第2燃料供給手段を設け、前記主室内の空気過剰率が可燃範囲を逸脱することにより生じるエンジンストールと、定格回転数を超えるオーバシュートを回避可能に前記第1燃料供給手段による燃料の供給量を調整するPID制御実行手段を備え、機関回転数が副室内の空気過剰率が過濃となることにより可燃範囲を逸脱する前の所定の第1機関回転数に達した後に前記第2燃料供給手段により副室への燃料の供給を開始し、機関回転数を速やかに定格回転数に到達させるようにした。
請求項5の発明では請求項4の発明において、第2燃料供給手段による副室への燃料の供給を開始する機関回転数を前記第1機関回転数の100〜120%の範囲内に設定し、かつ第1機関回転数から第1機関回転数の120%〜定格回転数の範囲内に設定した第2機関回転数の間において、第1燃料供給手段による燃料噴射量の調整は予め目標値が設定されたMAP制御により行い、速やかに機関回転数を定格回転数に近付けるようにした。
請求項6の発明では請求項1又は請求項4の発明において、機関回転数が前記第1機関回転数の120%〜定格回転数の範囲内に設定した第2機関回転数に達した後において、前記燃料供給手段又は第1燃料供給手段による燃料供給量をPID制御する際の目標機関回転数を記憶した記憶手段を設けた。
請求項7の発明では請求項1又は請求項4の発明において、セル始動時における燃焼室又は主室への空気の供給量を調整する調整弁の開度を30〜50%の範囲内に設定し、機関回転数が上昇するにつれて前記調整弁の開度が大きくなるように設定し、機関回転数が前記第1機関回転数に達した後は全開となるように設定した。
【0008】
【発明の実施の形態】
図1は、請求項1〜7の発明を実施するガス機関100の系統略図である。ガス機関100は副室式であり、燃焼室として主室2と副室5とを備えている。主室2へ空気を供給する空気供給通路3の途中には、上流側から順にターボチャージャ6のコンプレッサ部6a,スロットル弁7,インタークーラ9,インジェクタ10(燃料供給手段又は第1燃料供給手段)が設けてあり、主室2と連通する空気供給通路3の末端部分には吸気弁26を備えた吸気ポート11が形成されている。
【0009】
主室2から排気ガスを排出する排気通路4の途中には、ターボチャージャ6のタービン部6bが設けてあり、排気通路4の主室2との接続部分には排気弁27を備えた排気ポート28が形成されている。空気供給通路3に設けたコンプレッサ部6aは、タービン部6bにより駆動される。
【0010】
コンプレッサ部6aで圧縮された圧縮空気は、アクチュエータ8により開度が調整されるスロットル弁7により流量が調整され、インタークーラ9により冷却される。アクチュエータ8は、信号線30を介して接続されたコントローラ22(CPU)により制御される。
【0011】
また、吸気ポート11にはインジェクタ10が設けてあり、インジェクタ10には途中にレギュレータ13を備えた主室用燃料ガス供給通路12の一端が接続されている。
【0012】
図1に示すように燃料ガス供給通路25の途中には、上流側から順に燃料遮断用電磁弁37、ガスコンプレッサ14が設けてある。燃料遮断用電磁弁37は、信号線36でコントローラ22(CPU)と接続されており、コントローラ22により開閉制御される。燃料ガス供給通路25は、ガスコンプレッサ14の下流側で主室用燃料ガス供給通路12と副室用燃料ガス供給通路15とに分岐している。ガスコンプレッサ14により圧送された燃料ガスは、主室用燃料ガス供給通路12を介してインジェクタ10から吸気ポート11内へ噴射可能となっている。インジェクタ10により噴射される燃料ガス量は、レギュレータ13による圧力調整と1サイクル当りのインジェクタ10の開期間(燃料噴射期間)を変更することにより調整される。
【0013】
ガスコンプレッサ14から供給される圧縮された燃料ガスは、主室用燃料ガス供給通路12を介してインジェクタ10から吸気ポート11内に噴射されると共に、途中に上流側から順に電磁弁16とレギュレータ17とを備えた副室用燃料ガス供給通路15を介して副室5へも供給可能となっている。
【0014】
副室用燃料ガス供給通路15には圧力バランスにより開閉するチェックバルブ18が設けてある。このチェックバルブ18が開閉することにより副室5内に燃料ガス(副室燃料ガス)が供給されるようになっている。
【0015】
図6は、請求項1〜7の発明のガス機関100の空気及び燃料ガスの流通経路を示す系統略図である。図6に簡略に示すように、ガス機関100は、複数気筒(図6では6気筒)を備えており、各気筒の主室2近傍の吸気通路にインジェクタ10が設けてあり、また、シリンダヘッド内に設けた各気筒の副室5にも燃料ガス(副室燃料ガス)を直接供給することができるようになっている。
【0016】
図1に示すように機関本体1には、フライホイール20に設けたギヤ(図示せず)の突起を感知して機関回転数を検出する機関回転数検知器21が設けてある。機関回転数検知器21,インジェクタ10及び電磁弁16は、各々信号線31〜33でコントローラ22と接続されており、これらの機器とコントローラ22の間では信号線31〜33を介して信号が送受信され、インジェクタ10による燃料の噴射期間(電磁弁の開期間)と噴射開始時期(電磁弁が開き始める時期)は、コントローラ22で制御するようになっている。
【0017】
機関本体1の各発熱部を冷却した潤滑油は、潤滑油クーラ23で冷却される。機関本体1から排出された潤滑油の温度は潤滑油クーラ23の入口23aに設けた温度検知器24で検出される。この温度検知器24で検出された温度データは、信号線34を介してコントローラ22へ伝達されるようになっている。
【0018】
副室5には、点火プラグ19が設けてある。この点火プラグ19とコントローラ22とは信号線35で接続されており、点火プラグ19にはコントローラ22から信号が伝達され、火花点火時期を制御するようになっている。
【0019】
ガス機関100の始動時においては、主室2内の空気過剰率は限りなく大きく、爆発・燃焼が可能な空気過剰率となるまでは、機関回転数が200min−1程度になるまでは図示しないセルモータにより始動(駆動)する。
【0020】
図1に示すガス機関100では、吸気ポート11内に燃料ガスを噴射するインジェクタ10を設けたので、主室2内の空気過剰率を応答性良くリッチ(過濃)にすることができる。つまりガス機関100では、燃料ガスを含む混合気ではなく空気のみをコンプレッサ部6aで圧縮し、圧縮空気をインタークーラ9で冷却し、吸気ポート11内で冷却空気と燃料ガスとを混合させるようにしたので、混合気を生成する場所が主室2に極めて近いので、主室2内の空気過剰率を応答性良く変化させることができる。
【0021】
また、吸気弁26と排気弁27とが同時に開くオーバラップ期間に、混合気が仕事をすることなく排出されてしまうが、ガス機関100では、このオーバラップ期間においてはインジェクタ10による燃料ガスの噴射を止め、未燃の混合気がそのまま排出されることがないようにすることができるので、燃費を向上させることができる。
【0022】
(請求項1〜6の発明の実施例)
次に、ガス機関100をより適正に始動させるための制御の仕方を説明する。図2は、請求項1〜7の発明によるガス機関100の始動時(定格回転に達するまで)における機関回転数と燃料ガスの噴射量の関係を示すグラフである。
【0023】
機関始動(A)(クランキング開始時)からプレパージ(主室用及び副室用燃料ガス供給通路12、15、燃料供給ガス通路25内)が完了するまでは、インジェクタ10からの燃料噴射は行わない。プレパージが完了し、インジェクタ10による燃料噴射を開始する時期をガス投入(A1)(図2)と定義する。インジェクタ10からの燃料の噴射は、燃料ガス供給通路25の上流に設置された燃料遮断用電磁弁35を開くことにより開始する。ガス投入(A1)以後のインジェクタ10(第1燃料供給手段)から噴射される燃料ガスの量を、初爆(B)が起こるまでは1サイクル当り一定の噴射量Q1に設定する。但しガス投入(A1)直後、燃料遮断用電磁弁37の下流側の各配管内は、燃料ガスが100%充満されておらず、そのため空気過剰率(主、副室内)は図2に示すような履歴をたどる。初爆(B)は、副室5内における混合気の空気過剰率が、点火プラグ19の放電によりようやく着火して燃焼する値に到達した際に起こる。
【0024】
インジェクタ10による燃料の噴射量の調整は、レギュレータ13による主室用燃料ガス供給通路12内の圧力を調整すること、及び1サイクル当たりのインジェクタ10の開期間を調整することにより行うことができる。また本発明(本実施の形態)において、燃料の噴射量とは、1サイクル当りに噴射される燃料量を意味している。
【0025】
機関始動時(A)においては、電磁弁16は閉じておき、副室用燃料ガス供給通路15経由による副室5への燃料ガスの供給は停止させておく。ガス投入(A1)以降は、副室5には主室2を経由して燃料ガスが供給され、副室5内の混合気の空気過剰率はやがて点火プラグ19により着火可能な空気過剰率となり、初爆(B)が起こる。
【0026】
初爆(B)が起こると、図2のグラフで示すように機関回転数が右肩上がりに上がっていく。機関回転数が予め設定した1次回転数(C)(第1機関回転数)となるまでインジェクタ10による燃料ガスの噴射量はコントローラ22により一定(噴射量Q1)に保たれている。
【0027】
機関回転数の増加に伴う1サイクル当りの空気流量減少に伴い、副室5内の空気過剰率がリッチ側(過濃側)に偏り過ぎて失火するに至る前の機関回転数を1次回転数(C)(第1機関回転数)として予め設定しておく。本発明では、実際に空気過剰率を測定しているわけではないが、燃料の噴射量が増加するとリッチとなり、減少するとリーンになるものとして取扱っている。機関回転数が1次回転数(C)に達したことを機関回転数検知器21が検出し、この検出信号をコントローラ22が受けると、コントローラ22はインジェクタ10へ信号を送り、インジェクタ10による主室2への燃料ガスの噴射量を減少させる。機関回転数が回転数(D)に達すると、コントローラ22は電磁弁16に開信号を送り、レギュレータ17により調圧された燃料ガスが副室用燃料ガス供給通路15を介して途中のチェックバルブ18を押圧して開き、副室5内へ直接供給される(第2燃料供給手段)。
【0028】
したがって、回転数(D)以降の副室5内の空気過剰率は、次第にリッチ(過濃)となる。1次回転数(C)は、定格回転数の50〜80%の範囲内に設定するのが好ましい。また、回転数(D)は、1次回転数(C)の100〜120%程度の範囲内に設定するのが好ましい。
【0029】
また、機関回転数が1次回転数に到達するまでの主室2への燃料ガスの供給量(噴射量Q1)は、慣性力が小さい(特に機関始動直後の低回転時)ことに起因して大きな駆動トルクを必要とすることから、ガス機関100を無負荷で定格回転数で運転させる際に必要な燃料ガス量の1〜4倍程度となるようにコントローラ22がインジェクタ10を動作させるようにするのが好ましい。
【0030】
回転数(D)以降では、副室5内の空気過剰率が主室2内の空気過剰率とは無関係にリッチとなるので、副室5内の燃焼状態が一時的に悪化してトルク変動が生じ、機関回転数が変動することがある。このときインジェクタ10(第1燃料供給手段)からの燃料の噴射量をPID制御していると、さらに燃料噴射量を増量させてしまい、副室5内の空気過剰率がさらにリッチ側へシフトされて最悪の場合には失火に至ることも有り得る。そこで副室用燃料ガス供給通路15を介した副室5への燃料供給(第2燃料供給手段)を開始した直後(図2では1次回転数(C)から2次回転数(E)の間)は、インジェクタ10による燃料噴射量が予め設定されたMAP制御を行うことにより、副室5内の空気過剰率が可燃範囲を逸脱することを回避するのが好ましい。
【0031】
さらに、温度検知器24により検出された潤滑油温度が、高くなるほどインジェクタ10による燃料の供給量が少なくなるようにするのが好ましく、潤滑油温度に対応する主室2への燃料ガスの好ましい供給量のマップをメモリ29に記憶させ、コントローラ22はこのマップに従ってインジェクタ10を制御すると、ガス機関100の始動性がより良好になる。
【0032】
図4は、温度検知器24で検出した潤滑油温度に対応してインジェクタ10から噴射する燃料の噴射量(1サイクル当り)の割合を示すグラフである。始動時のガス機関100の温度は季節(特に夏と冬)によって異なり、さらに運転していたガス機関100を停止し、放熱が進む前に再起動する際の潤滑油温度はかなり高温である。ガス機関100は高温であるほど潤滑油の粘性抵抗が小さくなって始動性が良好になり、そのため潤滑油温度(ガス機関100の温度)が低温であるほど燃料の噴射量を増量させ、機関回転数が速やかに定格回転数に達するようにするのが好ましい。
【0033】
ただし、空気過剰率を著しくリッチ側へ偏らせると可燃範囲を逸脱したり、排気ガスに含まれるCO,HC等の有害成分が増えるので、例えば図4に示すように潤滑油温度が50〜100℃の燃料噴射量を60とすると、0℃では100となるように0℃から50℃の間では潤滑油温度が低くなるほど一定割合で燃料噴射量を増量させるようにする。
【0034】
副室5内に直接燃料ガスが供給され続けて副室5内の空気過剰率が次第にリッチとなり、失火に至る前の所定の機関回転数を2次回転数(E)(第2機関回転数)として予めメモリ29に記憶しておく。機関回転数が1次回転数から2次回転数に達するまでは、ガス機関100はコントローラ22によるMAP制御が行われ、このMAP制御により主室2内の空気過剰率の調整が行われるようになっている。機関回転数が2次回転数(E)に達すると、コントローラ22はMAP制御から実回転数と目標回転数の偏差によるPID制御に切り換え、機関回転数が速やかに定格回転数に達するように燃料噴射量を調整する。ここで、2次回転数(E)は1次回転数(C)の130%程度に設定するのが好ましい。
【0035】
図3は、請求項6の発明を実施した際の燃料の噴射期間と機関回転数の関係を示すグラフである。図3において、燃料ガスの噴射期間が短くなるということは、燃料ガスの噴射量が減少することを意味している。空気過剰率が過濃になることによる失火を回避するために、機関回転数が1次回転数(例えば図3に示す800min−1)に達するとインジェクタ10からの燃料ガスの噴射量を徐々に減少させ、機関回転数(図2の回転数(D))が940min−1なると副室用燃料ガス供給通路15経由で副室5へ直接燃料ガスを供給し、2次回転数(E)1000min−1以降ではMAP制御からPID制御に切り換える。
【0036】
PID制御では実回転数と目標回転数の偏差を基にインジェクタ10の燃料噴射量を設定するが、エンストとオーバシュートとを回避可能な目標回転数を設定するマップを予め用意してメモリ29(記憶手段)に記憶させ、このマップに従ってコントローラ22がPID制御を行うようにする。このマップにおける目標回転数は回転数(F)に至るまでは可変であるが、回転数(F)に到達した後の目標回転数は定格回転数(一定)となる。
【0037】
低い回転数から定格回転数に至るまでは、空気供給通路3内の空気流量は不安定であり、なおかつスロットル弁7(図1に示す調整弁)の開度を調整する制御を行うと、さらに主室2へ供給する空気の流量が不安定となる。したがって請求項1〜請求項6の発明では、機関回転数が定格回転数に達するまではスロットル弁7の開度は固定(不変)とし、空気流量の変動を最小限に抑えるようにするのが好ましい。
【0038】
(請求項7の発明の実施例)
図5は、請求項7の発明を実施する際のスロットル開度の範囲を示すグラフである。セル始動時(クランキング開始時、又は機関始動時)においては、スロットル弁7(調整弁)の開度は図5に示すように30〜50%の範囲内に設定し、機関回転数が上昇するにつれてコントローラ22から信号が伝達されたアクチュエータ8によりスロットル弁7の開度を徐々に大きくし、機関回転数が1次回転数に達した後は全開となるようにする。このようにスロットル弁7の開度を調整すると、初爆(B)が起こるまでの1サイクル当りに供給される空気量を極力少なくすることができ、これにより副室5内の空気過剰率が可燃範囲内に到達する時間を短縮する、すなわち初爆(B)までに要する時間を短縮することができる。さらに、機関回転数が1次回転数(C)に達した後は開度を全開に設定すると1サイクル当りの空気流量を増加させることができ、より多くの燃料を燃焼させることができるので、安定した燃焼を行いながら定格回転数に達するまでの時間を短縮することができる。
【0039】
以上、説明した請求項1〜請求項7の発明は、過給機付きガス機関,無過給式ガス機関のいずれにも適用することができる。また、図1では副室式のガス機関100を示したが、副室5を備えない単室式のガス機関についても請求項1〜3,6,7の発明は実施することができる。
【0040】
【発明の効果】
請求項1の発明では、主室2(燃焼室)近傍の空気供給通路3内にインジェクタ10(燃料供給手段)を設け、このインジェクタ10による燃料ガスの噴射量を制御するコントローラ22(PID制御手段)を設けたので、主室2内(燃焼室内)の空気過剰率を応答性よく変更することができ、主室2内(燃焼室内)の空気過剰率が可燃範囲を逸脱することによるエンジンストールと定格回転数を越えるオーバシュートとを回避することができる。
【0041】
機関始動後、機関回転数を定格回転数まで上昇させる過程において、失火によるエンジンストールを回避することができ、かつ定格回転数に達する際のオーバシュートを小さくする又はゼロにすることができるので、ガス機関100を安全に運転することができる。
【0042】
請求項2の発明では、クランキング開始時から機関回転数が定格回転数の50〜100%の範囲内に達するまでの単位時間当りの空気供給通路3内への燃料ガスの供給量を一定に保ち、かつ、前記燃料供給量を無負荷定格回転数でガス機関100を運転する際に必要な燃料供給量の1〜4倍となるように前記燃料供給手段を設定(インジェクタ10からの燃料噴射量をコントローラ22により調整)するようにしたので、請求項1の発明以上の効果を奏することができる。
【0043】
請求項3の発明では、ガス機関100の各部を冷却する潤滑油の温度を検出する温度検知器24(潤滑油温度検出手段)を設け、温度検知器24により検出された潤滑油温度が高くなるほど燃料供給量を少なくするように前記燃料供給手段を設定(インジェクタ10からの燃料噴射量をコントローラ22により調整)したので、請求項1の発明以上の効果を奏することができる。
【0044】
請求項4の発明では、副室式のガス機関100において、ガス機関100の始動後、失火によるエンジンストールと定格回転数を超えるオーバシュートとを回避しながら機関回転数を速やかに定格回転数に到達させることができるので、安全かつ速やかな始動を行うことができる。
【0045】
従来のガス機関のように、機関回転数をガス投入(A1)以降からPID制御すると、ガス機関の運転環境は気温や潤滑油温度等で異なり、複数のマップを用意して目標回転数を設定する必要があり、適切なマップを選定するだけでもシステムが煩雑となり、また、この煩雑なシステムを用意しないと、実際の機関回転数と目標とする機関回転数との偏差によるPID制御が、エンジンストールを回避しながら行うことが困難である。
【0046】
しかし請求項4の発明では、副室5内の空気過剰率が過濃となることにより可燃範囲を逸脱する前の所定の機関回転数を1次回転数(C)(第1機関回転数)として設定し、機関回転数が1次回転数(C)に達するまではPID制御を行わず、1次回転数(C)に達してからPID制御を行うようにしたので、始動時のガス機関の挙動を安定させることができる。
【0047】
機関回転数が1次回転数(C)に達するまではPID制御を行わず、1次回転数(C)に達してからPID制御を行うようにした効果は、請求項1の発明でも同様に奏することができる。
【0048】
請求項5の発明では、1次回転数の120%の機関回転数から定格回転数の間に2次回転数(E)(第2機関回転数)を設定し、第2燃料供給手段による副室用燃料ガス供給通路15を介した副室5への燃料供給を開始した直後から、インジェクタ10による燃料の噴射量を実回転数に対する最適な目標回転数を設定したMAPに基いてMAP制御するようにしたので、副室5内の空気過剰率が可燃範囲を逸脱することを回避することができ、速やかに機関回転数を定格回転数に到達させることができるので、安全かつ速やかな始動を行うことができる。
【0049】
請求項6の発明を実施すると、機関回転数が定格回転数に到達する際のオーバシュートを確実に防止することができるので、ガス機関100の安全性を向上させることができる。
【0050】
請求項7の発明では、燃焼室2(主室)への空気の供給をスロットル制御することにより、ガス投入(A1)から初爆(B)に至るまでの時間を短縮することができ、さらに、機関回転数が1次回転数(C)に達した後は全開になるように設定するので、安定した燃焼を行いながら定格回転数に達するまでの時間を短縮することができる。
【0051】
本発明(請求項1〜7の発明)においては、従来はその概念すら存在しなかった1次回転数(C)を見出して設定し、PID制御は機関回転数が1次回転数(C)を超えてから開始するようにしたので、ガス機関の様々な運転環境において良好な始動性を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】請求項1〜7の発明を実施するガス機関の系統略図である。
【図2】請求項1〜7の発明によるガス機関の始動時(定格回転に達するまで)における機関回転数と燃料ガスの噴射量の関係を示すグラフである。
【図3】請求項6の発明を実施した際の、機関始動直後における燃料の噴射期間と機関回転数とを比較する示すグラフである。
【図4】請求項3の発明を実施した際の、潤滑油温度に対応する燃料噴射量の割合を示すグラフである。
【図5】請求項7の発明を実施した際の初爆するのに要する時間とスロットル開度の関係を示すグラフである。
【図6】本発明の実施対象であるAYG型のガス機関の空気及び燃料ガスの流通経路を示す系統略図である。
【図7】従来のNHLG型のガス機関の空気及び燃料ガスの流通経路を示す系統略図である。
【符号の説明】
1 機関本体
2 主室(燃焼室)
3 空気供給通路
4 排気通路
5 副室
6 ターボチャージャ
6a コンプレッサ部
6b タービン部
7 スロットル弁
8 アクチュエータ
9 インタクーラ
10 インジェクタ(燃料供給手段,第1燃料供給手段)
11 吸気ポート
12 主室用燃料ガス供給通路
13 レギュレータ
14 ガスコンプレッサ
15 副室用燃料ガス供給通路
16 電磁弁
17 レギュレータ
18 チェックバルブ
19 点火プラブ
20 フライホイール
21 機関回転数検知器
22 コントローラ
23 潤滑油クーラ
24 温度検知器(潤滑油温度検出手段)
25 燃料ガス供給通路
26 吸気弁
27 排気弁
28 排気ポート
29 メモリ(記憶手段)
30〜36 信号線
37 燃料遮断用電磁弁
100 ガス機関[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a gas engine provided with a control mechanism for a fuel injection amount at the time of starting in which combustion is unstable.
[0002]
[Prior art]
FIG. 7 is a schematic system diagram showing a flow path of air and fuel gas of a
[0003]
[Patent Document 1]
JP-A-5-19547
[0004]
Further, the fuel gas can be directly supplied to the sub-chamber, and the fuel gas supplied to the sub-chamber is supplied between the intercooler and the throttle via the starting auxiliary pipe when the
[0005]
By the way, in the overlap period in which the intake valve and the exhaust valve are simultaneously opened, the air-fuel mixture is discharged from the exhaust passage without performing work. On the other hand, in order to increase the output, it is necessary to set a long overlap period so as not to deteriorate the knocking limit from the viewpoint of scavenging efficiency. However, in this
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
Therefore, an object of the present invention is to provide a gas engine that can change the excess air ratio in the combustion chamber with good response and can stably stabilize combustion at the time of starting.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problem, according to the first aspect of the present invention, fuel supply means for supplying fuel is provided near the combustion chamber of an air supply passage for supplying air to the combustion chamber, and the excess air ratio in the combustion chamber deviates from the flammable range. PID control means for adjusting the amount of fuel supplied by the fuel supply means so as to avoid an engine stall caused by the operation of the engine and an overshoot exceeding the rated speed. When the engine speed reaches a predetermined first engine speed before deviating from the flammable range, the PID control means adjusts the fuel supply amount so that the engine speed quickly approaches the rated engine speed. I made it.
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the fuel supply amount per cycle by the fuel supply means from the start of cranking until the engine speed reaches a range of 50 to 100% of the rated speed is determined. The fuel supply amount was kept constant, and the fuel supply amount was set to 1 to 4 times the fuel supply amount required for operation at the no-load rated rotation speed.
According to a third aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, a lubricating oil temperature detecting means for detecting a temperature of the lubricating oil for cooling each part of the gas engine is provided, and the lubricating oil temperature detected by the lubricating oil temperature detecting means increases as the lubricating oil temperature increases. The fuel supply means was set so as to reduce the amount of fuel supply per cycle.
According to a fourth aspect of the present invention, in a gas engine having a main chamber and a sub chamber, a first fuel supply means for supplying fuel near an air supply passage for supplying air to the main chamber is provided. A second fuel supply means for directly supplying fuel to the sub-chamber without intervening is provided so that an engine stall caused by an excess air ratio in the main chamber deviating from a flammable range and an overshoot exceeding a rated speed can be avoided. PID control execution means for adjusting the amount of fuel supplied by the first fuel supply means, wherein the predetermined first engine before the engine speed deviates from the flammable range due to the excessive air ratio in the sub-chamber being too rich After reaching the engine speed, the supply of fuel to the sub-chamber is started by the second fuel supply means so that the engine speed quickly reaches the rated engine speed.
According to a fifth aspect of the present invention, in the fourth aspect of the present invention, the engine speed at which fuel supply to the sub-chamber is started by the second fuel supply means is set within a range of 100 to 120% of the first engine speed. The adjustment of the fuel injection amount by the first fuel supply means is performed in advance between the first engine speed and the second engine speed set within the range of 120% of the first engine speed to the rated engine speed. Is performed by the set MAP control so that the engine speed approaches the rated speed promptly.
According to a sixth aspect of the present invention, in the first or fourth aspect, after the engine speed reaches a second engine speed set within a range of 120% of the first engine speed to a rated speed. And a storage means for storing a target engine speed when the fuel supply amount by the fuel supply means or the first fuel supply means is PID controlled.
According to a seventh aspect of the present invention, in the first or fourth aspect of the present invention, the opening of the regulating valve for regulating the amount of air supplied to the combustion chamber or the main chamber at the time of starting the cell is set within a range of 30 to 50%. The opening of the regulating valve was set to increase as the engine speed increased, and was set to be fully opened after the engine speed reached the first engine speed.
[0008]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 is a system schematic diagram of a
[0009]
An exhaust port provided with an
[0010]
The flow rate of the compressed air compressed by the
[0011]
The intake port 11 is provided with an injector 10, and the injector 10 is connected to one end of a main chamber fuel
[0012]
As shown in FIG. 1, in the middle of the fuel
[0013]
The compressed fuel gas supplied from the
[0014]
A
[0015]
FIG. 6 is a schematic system diagram showing a flow path of air and fuel gas of the
[0016]
As shown in FIG. 1, the engine main body 1 is provided with an
[0017]
The lubricating oil that has cooled each heat generating portion of the engine body 1 is cooled by the lubricating oil cooler 23. The temperature of the lubricating oil discharged from the engine body 1 is detected by a
[0018]
An ignition plug 19 is provided in the sub-chamber 5. The
[0019]
When the
[0020]
In the
[0021]
In the overlap period in which the
[0022]
(Embodiments of the Inventions of Claims 1 to 6)
Next, a control method for more appropriately starting the
[0023]
From the start of the engine (A) (at the start of cranking) to the completion of the pre-purge (in the fuel
[0024]
Adjustment of the fuel injection amount by the injector 10 can be performed by adjusting the pressure in the main chamber fuel
[0025]
At the time of starting the engine (A), the solenoid valve 16 is closed, and the supply of the fuel gas to the sub chamber 5 via the sub chamber fuel
[0026]
When the first explosion (B) occurs, the engine speed rises to the right as shown in the graph of FIG. Until the engine speed reaches a preset primary speed (C) (first engine speed), the amount of fuel gas injected by the injector 10 is kept constant (injection amount Q1) by the
[0027]
As the air flow rate per cycle decreases as the engine speed increases, the engine speed before the misfire occurs due to the excess air ratio in the sub-chamber 5 being too biased toward the rich side (rich side). It is set in advance as a number (C) (first engine speed). In the present invention, the excess air ratio is not actually measured, but is treated as being rich when the fuel injection amount increases and lean when the fuel injection amount decreases. The
[0028]
Therefore, the excess air ratio in the sub chamber 5 after the rotation speed (D) gradually becomes rich (rich). The primary rotation speed (C) is preferably set within a range of 50 to 80% of the rated rotation speed. Further, the rotation speed (D) is preferably set within a range of about 100 to 120% of the primary rotation speed (C).
[0029]
The amount of fuel gas supplied to the main chamber 2 (the injection amount Q1) until the engine speed reaches the primary speed is caused by a small inertia force (particularly at a low speed immediately after the engine is started).
[0030]
After the rotation speed (D), the excess air ratio in the sub-chamber 5 becomes rich irrespective of the excess air ratio in the
[0031]
Further, it is preferable that the higher the lubricating oil temperature detected by the
[0032]
FIG. 4 is a graph showing the ratio of the fuel injection amount (per cycle) injected from the injector 10 corresponding to the lubricating oil temperature detected by the
[0033]
However, if the excess air ratio is remarkably biased toward the rich side, the flammable range will be deviated, and harmful components such as CO and HC contained in the exhaust gas will increase. For example, as shown in FIG. Assuming that the fuel injection amount at 60 ° C. is 60, the fuel injection amount is increased at a constant rate between 0 ° C. and 50 ° C. as the lubricating oil temperature decreases, so that the fuel injection amount becomes 100 at 0 ° C.
[0034]
The fuel gas continues to be directly supplied into the sub-chamber 5 and the excess air ratio in the sub-chamber 5 gradually becomes rich, and the predetermined engine speed before the misfire is caused to reach the secondary engine speed (E) (second engine speed) ) Is stored in the
[0035]
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the fuel injection period and the engine speed when the invention of
[0036]
In the PID control, the fuel injection amount of the injector 10 is set based on the deviation between the actual rotation speed and the target rotation speed. A map for setting a target rotation speed capable of avoiding engine stall and overshoot is prepared in advance in the memory 29 ( The
[0037]
From the low rotation speed to the rated rotation speed, the air flow rate in the air supply passage 3 is unstable, and when the control for adjusting the opening of the throttle valve 7 (the adjustment valve shown in FIG. 1) is further performed, The flow rate of the air supplied to the
[0038]
(Embodiment of Claim 7)
FIG. 5 is a graph showing the range of the throttle opening when the invention of
[0039]
The inventions of claims 1 to 7 described above can be applied to any of a supercharged gas engine and a non-supercharged gas engine. Although FIG. 1 shows the sub-chamber
[0040]
【The invention's effect】
In the invention of claim 1, an injector 10 (fuel supply means) is provided in the air supply passage 3 near the main chamber 2 (combustion chamber), and a controller 22 (PID control means) for controlling the amount of fuel gas injected by the injector 10 is provided. ), The excess air ratio in the main chamber 2 (combustion chamber) can be changed with good responsiveness, and the engine stall due to the excess air ratio in the main chamber 2 (combustion chamber) deviating from the flammable range. And overshoot exceeding the rated rotation speed can be avoided.
[0041]
After starting the engine, in the process of raising the engine speed to the rated speed, engine stall due to misfire can be avoided, and overshoot at the time of reaching the rated speed can be reduced or made zero. The
[0042]
According to the second aspect of the present invention, the amount of fuel gas supplied to the air supply passage 3 per unit time from the start of cranking until the engine speed reaches 50% to 100% of the rated speed is kept constant. The fuel supply means is set such that the fuel supply amount is maintained at a value 1 to 4 times the fuel supply amount required when the
[0043]
In the invention of claim 3, a temperature detector 24 (lubricating oil temperature detecting means) for detecting the temperature of the lubricating oil that cools each part of the
[0044]
According to the invention of claim 4, in the sub-chamber
[0045]
When the PID control of the engine speed is performed after the gas injection (A1) as in the conventional gas engine, the operating environment of the gas engine differs depending on the temperature, lubricating oil temperature, etc., and a plurality of maps are prepared to set the target engine speed. The selection of an appropriate map can complicate the system. Unless this complicated system is prepared, the PID control based on the deviation between the actual engine speed and the target engine speed requires an engine. It is difficult to do this while avoiding stalls.
[0046]
However, according to the invention of claim 4, the predetermined engine speed before deviating from the flammable range due to the excessive air ratio in the sub-chamber 5 becomes the primary speed (C) (first engine speed). The PID control is not performed until the engine speed reaches the primary speed (C), and the PID control is performed after the engine speed reaches the primary speed (C). Can be stabilized.
[0047]
The effect that the PID control is not performed until the engine rotation speed reaches the primary rotation speed (C) and the PID control is performed after the engine rotation speed reaches the primary rotation speed (C) is also achieved in the invention of claim 1. Can play.
[0048]
According to the fifth aspect of the present invention, the secondary rotational speed (E) (second engine rotational speed) is set between the engine rotational speed of 120% of the primary rotational speed and the rated rotational speed, and the secondary fuel supply means sets the secondary rotational speed (E). Immediately after the fuel supply to the sub-chamber 5 via the fuel
[0049]
When the invention of
[0050]
According to the seventh aspect of the invention, by controlling the supply of air to the combustion chamber 2 (main chamber) with a throttle, the time from the gas input (A1) to the first explosion (B) can be shortened. Since the engine is set to be fully opened after the engine speed reaches the primary speed (C), the time required to reach the rated speed can be reduced while performing stable combustion.
[0051]
In the present invention (inventions of claims 1 to 7), the primary rotational speed (C), which did not exist even in the conventional concept, is found and set, and in PID control, the engine rotational speed is set to the primary rotational speed (C). , It is possible to provide good startability in various operating environments of the gas engine.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a system schematic diagram of a gas engine for carrying out the inventions of claims 1 to 7;
FIG. 2 is a graph showing the relationship between the engine speed and the fuel gas injection amount when the gas engine according to the first to seventh aspects of the present invention is started (until the rated speed is reached).
FIG. 3 is a graph showing a comparison between a fuel injection period immediately after engine start and an engine speed when the invention of
FIG. 4 is a graph showing a ratio of a fuel injection amount corresponding to a lubricating oil temperature when the invention of claim 3 is implemented.
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the time required for the first explosion and the throttle opening when the invention of
FIG. 6 is a schematic system diagram showing a flow path of air and fuel gas of an AYG type gas engine which is an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a schematic system diagram showing a flow path of air and fuel gas of a conventional NHLG-type gas engine.
[Explanation of symbols]
1 Engine body
2 Main room (combustion chamber)
3 Air supply passage
4 Exhaust passage
5 Vice room
6 Turbocharger
6a Compressor section
6b Turbine section
7 Throttle valve
8 Actuator
9 Intercooler
10. Injector (fuel supply means, first fuel supply means)
11 Intake port
12 Fuel gas supply passage for main room
13 Regulator
14 Gas compressor
15 Fuel gas supply passage for sub chamber
16 Solenoid valve
17 Regulator
18 Check valve
19 Ignition plug
20 flywheel
21 Engine speed detector
22 Controller
23 Lubricating oil cooler
24 Temperature detector (lubricating oil temperature detecting means)
25 Fuel gas supply passage
26 Intake valve
27 Exhaust valve
28 Exhaust port
29 memory (storage means)
30-36 signal line
37 Solenoid valve for fuel cutoff
100 gas engine
Claims (7)
前記燃焼室内の空気過剰率が可燃範囲を逸脱することにより生じるエンジンストールと、定格回転数を超えるオーバシュートを回避可能に前記燃料供給手段による燃料の供給量を調整するPID制御手段を備え、
機関回転数が燃焼室内の空気過剰率が過濃となることにより可燃範囲を逸脱する前の所定の第1機関回転数に達した際に、
前記PID制御手段により燃料の供給量を調整することにより機関回転数を定格回転数に速やかに近づけることを特徴とする始動時の燃料噴射量の制御機構を備えたガス機関。Fuel supply means for supplying fuel near the combustion chamber of the air supply passage for supplying air to the combustion chamber,
PID control means for adjusting an amount of fuel supplied by the fuel supply means so as to avoid an engine stall caused by an excess air ratio in the combustion chamber deviating from a flammable range and an overshoot exceeding a rated speed,
When the engine speed reaches a predetermined first engine speed before deviating from the flammable range due to an excessive air ratio in the combustion chamber,
A gas engine equipped with a control mechanism for a fuel injection amount at the time of starting, wherein an engine speed is quickly brought close to a rated speed by adjusting a fuel supply amount by the PID control means.
前記主室内の空気過剰率が可燃範囲を逸脱することにより生じるエンジンストールと、定格回転数を超えるオーバシュートを回避可能に前記第1燃料供給手段による燃料の供給量を調整するPID制御実行手段を備え、
機関回転数が副室内の空気過剰率が過濃となることにより可燃範囲を逸脱する前の所定の第1機関回転数に達した後に前記第2燃料供給手段により副室への燃料の供給を開始し、機関回転数を速やかに定格回転数に到達させるようにしたことを特徴とする始動時の燃料噴射量の制御機構を備えたガス機関。In a gas engine having a main chamber and a sub-chamber, a first fuel supply means for supplying fuel is provided near an air supply passage for supplying air to the main chamber near the main chamber. Providing second fuel supply means for supplying fuel;
PID control execution means for adjusting an amount of fuel supplied by the first fuel supply means so as to avoid an engine stall caused by an excess air ratio in the main chamber deviating from a flammable range and an overshoot exceeding a rated speed. Prepare,
After the engine speed reaches a predetermined first engine speed before it deviates from the flammable range due to an excessive air ratio in the sub-chamber, the second fuel supply means supplies fuel to the sub-chamber. A gas engine provided with a control mechanism for a fuel injection amount at the time of starting, wherein the engine speed is started to quickly reach a rated speed.
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- 2003-02-24 JP JP2003045732A patent/JP4229721B2/en not_active Expired - Lifetime
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