JP2005299451A - ガスエンジン及びその制御方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】複数の燃料を使用可能であり、運転中のガス種の変動にも対応することが出来るガスエンジン及びその制御方法の提供。
【解決手段】空気供給系統(La)と、燃料ガス供給系統(Lp、L13、Lx)と、空気及び燃料ガスを混合する混合手段(ミキサ6)と、(空気と燃料ガスとの)混合気の(ガスエンジンEへの)供給量を調節するためのスロットル弁(7)と、回転数計測手段(8)と、制御手段(コントローラ10)とを備え、前記燃料ガス供給系統(Lx)には燃料ガス流量調節弁(5)が介装されており、前記制御手段(10)は、起動時に同一調速制御を行った際における回転数上昇速度を求め、該回転数上昇速度から燃料ガスの種類を判断する制御を行うことを特徴としている。
【選択図】図1

Description

本発明は、同一機構で複数気体燃料を燃料として用いるガスエンジン及びその制御装置に関する。
単一のエンジンについて、複数の気体燃料(例えば液化石油ガスと都市ガス)を利用出来る様にしたいという要請が以前から存在する。
従来の複数燃料を使用可能な従来のガスエンジンの1例を、図5で示す。
図5は、複数の気体燃料として液化石油ガス(LPG)と都市ガス(13A)とを使用するタイプのガスエンジンを例示したブロック図である。
図5において、エンジンFの吸気系Aには、燃料供給ラインLfが先端のノズルNによって連通している。
概燃料供給ラインLfには上流から順にエンジン停止の際に作動させる2個のガス遮断弁3、3とゼロガバナ4が介装されている。
前記ガス遮断弁3、3はフェールセーフを考慮して一方が機能不全となっても働くように2連に設けている。
前記吸気系Aには、燃焼用空気を吸入する吸気口Aaが開口しており、前記ノズルNの下流側にスロットル弁7が介装されている。
ガスエンジンFにはガスエンジンの運転を制御するためのコントロールユニット50が設けてあり、エンジンFに取り付けた回転センサ8からの情報に基づき、前記遮断弁3、3及びスロットル弁7を制御するように構成されている。
エンジンFを稼動させるに際して、上流の図示しない燃料ガス供給源からは低圧で燃料ガス(例えば都市ガス13AとLPGとの双方が供給可能となっておりその内の一方のガス)が流入する。遮断弁3、3は共に開放されており、ゼロガバナ5で略大気圧まで降圧させる。
エンジンFが回転すると、負圧が発生するので、空気(吸気)と燃料ガスとを吸い込む。前記吸気系AのノズルNが連通された箇所の近傍はミキサーの機能を有しており、吸い込んだ空気と燃料ガスとを混合する。
ここで、ノズルNの噴射孔はガスの種類により、その流量を調節するために、例えば13Aを流す場合は、LPGを流す場合に対して断面積を略倍になるように構成しなくてはならない。
LPGの方が13Aの単位量当たりの熱量が2倍近く高いので、燃料噴射用のノズルや、流量計を2通り設ける必要があった。
すなわち、13AガスをLPGの系統に流すと、必要な熱量に対して燃料流量が少な過ぎて、過剰リーン状態となってしまい、十分な出力が得られず、また排気ガス中の一酸化炭素濃度が増加するという不都合が生じる。
一方、LPGを13Aの系統に流すと、必要な熱量に対して燃料流量が多過ぎて、過剰リッチ状態となってしまい、排気ガス中の窒素酸化物(NOx)濃度が増加するという不都合が生じる。
この様に、使用される気体燃料に応じて、燃料供給系統を自動的に切り換えてやらないと、過剰リーン状態、或いは過剰リッチ状態となり、種々の不都合が生じる。
従来技術においても、単一のエンジンで複数の燃料を使用可能なタイプは存在する(例えば特許文献1)。
しかし、ガスの種類は複数あって、その全ての判別は困難である。
また、運転中のガス種の変動(或いは供給ガスの組成変動及びそれに伴う熱量変動)に対応出来ない。
特開平9−112353号公報
本発明は上述した従来技術の問題点に鑑みて提案されたものであり、複数の燃料を使用可能であり、運転中のガス種の変動にも対応することが出来るガスエンジン及びその制御方法の提供を目的としている。
本発明のガスエンジンは、空気供給系統(La)と、燃料ガス供給系統(Lp、L13、Lx)と、空気及び燃料ガスを混合する混合手段(ミキサ6)と、(空気と燃料ガスとの)混合気の(ガスエンジンEへの)供給量を調節するためのスロットル弁(7)と、回転数計測手段(8)と、制御手段(コントローラ10)とを備え、前記燃料ガス供給系統(Lx)には燃料ガス流量調節弁(5)が介装されており、前記制御手段(10)は、起動時に同一調速制御を行った際における回転数上昇速度を求め、該回転数上昇速度から燃料ガスの種類を判断する制御を行うことを特徴としている(請求項1)。
本発明において、制御手段(コントローラ10)は、燃料ガスの種類及び運転条件に対応したスロットル弁(7)開度及び燃料ガス流量調節弁(5)開度の特性(例えば、マップや表等)を記憶する記憶手段(データベース9)を有しているのが好ましい。
上述した本発明のガスエンジン(請求項1のガスエンジン)の制御方法は、(ガスエンジンEの)起動時に同一調速制御を行う工程(S1)と、該同一調速制御を行った際に回転数を計測して回転数上昇速度を求める工程(S3)と、該工程で求められた回転数上昇速度から燃料ガスの種類を判断する工程(S4〜S6)とを有していることを特徴としている(請求項3)。
ここで、燃料ガスの種類を判断したならば、記憶手段(データベース9)に記憶された燃料ガスの種類及び運転条件に対応したスロットル弁(7)開度及び燃料ガス流量調節弁(5)開度の特性に従って、当該ガスエンジン(E)の運転を行うことが好ましい。
また、本発明のガスエンジンは、空気供給系統(La)と、燃料ガス供給系統(Lp、L13、Lx)と、空気及び燃料ガスを混合する混合手段(ミキサ6)と、(空気と燃料ガスとの)混合気の(ガスエンジンへの)供給量を調節するためのスロットル弁(7)と、回転数計測手段(8)と、制御手段(コントローラ10)とを備え、前記燃料ガス供給系統(Lp、L13)には燃料ガス流量調節弁(5)が介装されており、前記制御手段(10)は燃料ガスの種類及び運転条件に対応したスロットル弁(7)開度及び燃料ガス流量調節弁(5)開度の特性(例えば、マップや表等)を記憶する記憶手段(データベース9)を有しており、(ガスエンジンEの)回転数が変動した際にスロットル弁(7)開度を調節して回転数の変動を抑制し、調節したスロットル弁(7)開度が目標値(及びその許容範囲)を外れていれば燃料ガス流量調節弁(5)の弁開度を調節することによりスロットル弁(7)開度を目標値(及びその許容範囲)にせしめ、その際の燃料ガス流量調節弁(5)の弁開度が閾値を越えたならば前記記憶手段(9)で記憶された(燃料ガスの種類及び運転条件に対応したスロットル弁7開度及び燃料ガス流量調節弁5開度の)特性を他の燃料ガスの特性に切り替える制御を行う様に構成されていることを特徴としている(請求項2)。
また、上述した本発明のガスエンジン(請求項2のガスエンジンE)の制御方法は、(ガスエンジンEの運転中にガスエンジンEの)回転数を計測する工程(S11)と、ガスエンジンの回転数が変動した際にスロットル弁開度を調節して回転数の変動を抑制する工程(S14)と、調節したスロットル弁開度と目標値(及びその許容範囲)とを比較する工程(S15)と、調節したスロットル弁開度が目標値(及びその許容範囲)を外れている場合に燃料ガス流量調節弁の弁開度を調節し以ってスロットル弁開度を目標値(及びその許容範囲)にせしめる工程(S19〜S21)と、該工程の際における燃料ガス流量調節弁の弁開度を閾値と比較する工程(S16)と、燃料ガス流量調節弁の弁開度が閾値を越えている場合に記憶手段(データベース9)で記憶された(燃料ガスの種類及び運転条件に対応したスロットル弁開度及び燃料ガス流量調節弁開度の)特性を他の燃料ガスの特性に切り替える制御を行う工程(S17)、とを有することを特徴としている(請求項4)。
ここで、燃料用ガスとしては、その分野におけるシェアが大きい液化石油ガス(LPG)と都市ガス(13A)とを使用することが好ましい。
但し、本発明においては、その他の燃料ガスを使用する場合、例えばバイオガスと都市ガスとを使用する場合についても、適用可能である。
上述した構成を具備する本発明のガスエンジン(E)及びその制御方法(請求項1、請求項3)によれば、起動時に同一調速制御を行い、その際における回転数上昇速度から燃料ガスの種類を判断する様に構成されているので、起動時において、燃料ガスの種類を判定することが可能となる。
そして、燃料ガスの種類が判定されれば、燃料ガスの種類及び運転条件に対応したスロットル弁(7)開度及び燃料ガス流量調節弁開度(5)の特性(例えば、マップや表等)に従って、ガスエンジン(E)を好適に運転することが出来る。
すなわち、単一のガスエンジンにおいて、複数種類の燃料ガスを使用することが出来るのである。
また、本発明のガスエンジン(E)及びその制御方法(請求項2、請求項4)によれば、ガスエンジン(E)の回転数が変動した際にスロットル弁(7)開度を調節して回転数の変動を抑制し、調節したスロットル弁(7)開度が目標値及びその許容範囲を外れていれば燃料ガス流量調節弁(5)の弁開度を調節し、その際の燃料ガス流量調節弁(5)の弁開度が閾値を越えていれば、例えば前記記憶手段(9)に記憶されている特性、すなわち燃料ガスの種類及び運転条件に対応したスロットル弁(7)開度及び燃料ガス流量調節弁(5)開度の特性を、他の燃料ガスの特性に切り替える。
これにより、ガスエンジン(E)の運転中に燃料ガスの種類や組成が変動しても、変動後の燃料ガスの特性に合わせてスロットル弁(7)開度及び燃料ガス流量調節弁(5)開度を制御することが出来て、ガスエンジン(E)を効率的且つ良好に運転することが可能になるのである。
以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
図1〜図3は本発明の第1実施形態を示す。
図1において、ガスエンジンEの図示しない吸気ポートには燃料供給ラインLxが連通している。その燃料供給ラインLxの後端(上流側)には都市ガス13Aを供給するラインL13と、液化石油ガスLPGを供給するラインLpとが合流するように接続されている。
前記都市ガス供給ラインL13には都市ガス用遮断弁1が介装され、LPG供給ラインLPにはLPG用遮断弁2が介装されている。都市ガスが供給されている際は遮断弁1が開き、遮断弁2が閉じる。LPGが供給される際は遮断弁1が閉じて、遮断弁2が開く。
又、前記燃料供給ラインLxには上流から順に、2台のガス遮断弁3、3とゼロガバナ4と燃料ガス流量調節弁5とミキサ6とスロットルバルブ7が介装されている。
前記ガス遮断弁3、3はフェールセーフを考慮して一方が機能不全となっても働くように2連に設けている。又、ゼロガバナ4は供給される複数種類の燃料ガスの内の1種類を凡そ大気圧まで降圧するように構成されている。
前記ミキサ6には、空気供給ラインLaが連通しており、前記燃料供給ラインLxから供給された燃料ガスと空気供給ラインLaから供給された空気とがミキサ6内で混合されて混合ガスとなる。
図1の場合、燃料用ガスとしてシェアが大きいLPGと13Aとを使用している。そして、地震等の非常時の対応、例えばパイプラインが遮断した場合に、燃料供給源を、例えば都市ガスから直ちにLPGボンベに切り換えることが出来る。
ここで、前記燃料ガス流量調節弁5は流路面積が可変なバルブ(例えばステッピングモータ、電動の比例ソレノイドによって駆動されるバルブ)を用いることが好ましい。
当該ガスエンジンEには、コントロールユニット10が備えられており、エンジンに設けられたエンジン回転センサ8からの信号を入力ラインLiによって受け、その情報に基づき、データベース9に記憶された例えばマップに従って、前記流量制御弁5の開度及びスロットルバルブ7の開度を制御信号ラインLoを介して制御するように構成されている。
図2は、起動時の制御を示すフローチャートである。
詳細には起動時において、LPGと13Aを見分ける制御について示している。
即ち、起動時、ある決められた一定量(高熱量ガスと低熱量ガス双方とも起動可能な量)の燃料ガスをエンジンに供給する。その際、高熱量ガスでは空燃比(λ)はリッチ、低熱量ガスでは空燃比(λ)はリーンな状態で起動する。後述の同一調速制御では上昇到達回転数と回転数上昇速度(加速度)は空燃比(λ)がリッチな方が大きくなる。ここで上昇到達回転数と回転数上昇速度によるガス種の判断を行う。この際、機関温度による差異があるため、温度による補正を含んでの判断を行う(図示の例では省略)。エンジンはガス種毎の回転数、付加によった運転状態設定(点火時期、空燃比)を(データベースで)持ち、判断したガス種での設定で運転を行う。
起動時の制御について図2のフローチャートを参照して以下に説明する。
先ず、ステップS1において、都市ガス(13A)又は液化石油ガス(LPG)の何れでも起動出来るように流量制御弁5の開度をセットする。
そして、エンジンを始動し(ステップS2)、同一調速制御(スロットルの各種制御係数が同一の場合の回転数の制御)でスロットル7の開閉作動によって回転数を上昇させ、その時の回転数を前記回転センサ8により求め、コントロールユニット10の演算機能によって回転数上昇速度を計測する(ステップS3)。
次のステップS4において、コントロールユニット10は回転数上昇速度が閾値を超えているか否かを判断しており、回転の上昇が閾値よりも早ければ(ステップS4のYES)、LPGと判断し(ステップS5)、反対に回転の上昇が閾値よりも遅ければ(ステップS4のNO)、13Aと判断する(ステップS6)。
ステップ5又はステップS6の後、ステップS7ではガスの種類に対応した運転条件となるように燃料ガス流量調節弁5の開度及びスロットル開度を設定し、制御を終了する。
図3はエンジンEの運転中に、供給される気体燃料の種類が変化した場合に対処する制御を示している。制御の対象がエンジン運転中である点で、エンジン起動時を対象とする図2の制御とは異なる。
即ち、図3では、起動後の運転中において実運転状態と設定運転状態を比較し、随時設定を変更して運転を継続する制御を行う。例えば、低熱量ガスから高熱量ガスに切換わった場合、空燃比(λ)は過度にリッチとなり、回転数は上昇する。その際エンジンは回転数修正(スロットル開度調整)、空燃比修正(空燃比調節装置(燃料ガス流量調節弁)開度調整)、点火時期調整の動作(図3では省略)を行う。この移行動作中にスロットル開度、空燃比調節装置(燃料ガス流量調節弁)開度がある定められた開度に達した場合、ガス種の変更と判断して運転を継続する。
供給される気体燃料の種類が変化した場合に対処する制御について図3のフローチャートを参照して以下に説明する。
先ず、ステップS11において、エンジンEの回転数を回転センサ8によって計測する。ステップS12では、運転中に燃料のガス種が変化する。
そしてエンジンEの回転数は変動する(ステップS13)。コントロールユニット10はデータベース9のデータを参照してスロットル7の開度を調節する(ステップS14)。
ステップS15においてコントロールユニット10はスロットル開度が適正か否かを判断しており、適正であれば(ステップS15のYES)、ステップS16に進み、適正でなければ(ステップS15のNO)、ステップS19に進む。
ステップS16では、コントロールユニット10は、燃料ガス流量調節弁5の開度がマップ切換えの閾値を超えたか否かを判断しており、閾値を超えていれば(ステップS16のYES)、ステップS17でマップを切換えた後、運転を継続し(ステップS18)、再びステップS11に戻りステップS11以降を繰り返す。
一方、閾値を越えていなければ(ステップS16のNO)、そのまま運転を継続し(ステップS18)、再びステップS11に戻りステップS11以降を繰り返す。
ステップS19では、コントロールユニット10は、スロットル開度が目標値より大であるかそれとも小であるかを判断しており、スロットル開度が目標値より大の場合は、ガス流量調節弁5の開度を増すように制御し(ステップS20)、ステップS15に戻り、再びステップS15以降を繰り返す。
一方、目標値よりも小であればガス流量調節弁の開度を減らす方向に制御した後、ステップS15に戻り、再びステップS15以降を繰り返す。
上述した構成及びその制御方法の第1実施形態によれば、起動時に同一調速制御を行い、その際における回転数上昇速度から燃料ガスの種類を判断する様に構成されているので、起動時において、燃料ガスの種類を判定することが可能となる。
そして、燃料ガスの種類が判定されれば、燃料ガスの種類及び運転条件に対応したスロットル弁7の開度及び燃料ガス流量調節弁5の開度特性(例えば、データベース9に記憶されたマップや表等)に従って、ガスエンジンEを好適に運転することが出来る。
すなわち、単一のガスエンジンにおいて、複数種類の燃料ガスを使用することが出来る。
また、ガスエンジンEの回転数が変動した際にスロットル弁7の開度を調節して回転数の変動を抑制し、調節したスロットル弁7の開度が目標値及びその許容範囲を外れていれば燃料ガス流量調節弁5の弁開度を調節し、その際の燃料ガス流量調節弁5の弁開度が閾値を越えていれば、例えばデータベース9に記憶されている特性、すなわち燃料ガスの種類及び運転条件に対応したスロットル弁7の開度及び燃料ガス流量調節弁5の開度特性を、他の燃料ガスの特性に切り替える。
これにより、ガスエンジンEの運転中に燃料ガスの種類や組成が変動しても、変動後の燃料ガスの特性に合わせてスロットル弁7の開度及び燃料ガス流量調節弁5の開度を制御することが出来て、ガスエンジンEを効率的且つ良好に運転することが可能になるのである。
次に図4を参照して、本発明の第2実施形態を説明する。
第1実施形態では、燃料ガス流量調節弁(図1)が1つのみであった。
これに対して、図4の第2実施形態(ガスエンジンには符号E2を付す)では、燃料ガス流量調節弁を燃料ガス供給ラインに2つ(燃料ガスバイパス電動弁(粗動弁)及び燃料ガスバイパス電動弁(微動弁))介装した実施形態である。
気候条件、運転条件、使用の相違、エンジンが据え付けられている環境、その他の種々の差異に対して精密に調節するため、燃料供給量の微調節が必要となる場合がある。そのため、単なる開閉制御ではなくて、開度の微調節が必要となる場合に対応している。
しかし、微調節のみでは、制御幅が小さくなってしまう。そこで、大きな制御幅と精密な制御を実現するために、粗動弁と微動弁の2種類を設けているのが図4の第2実施形態である。
図1〜図3の第1実施形態と異なる点に関して以下に説明する。
図4の燃料ガス供給ラインLxにおいて、ゼロガバナ4とミキサ6の間の領域に粗動弁5aを介装した第1のバイパスラインLb1が設けてある。
その粗動弁5aの上流側で、前記第1のバイパスラインの分岐点Bと粗動弁5aとの間の領域からは微動弁5bを介装した第2のバイパスラインLb2が分岐しており、その第2のバイパスラインLb2は前記第1のバイパスラインLb1が燃料ガス供給ラインLxと合流する合流点Gよりも上流側の燃料ガス供給ラインLxに接続されている。
前記祖動弁5a及び微動弁5bは共に制御信号ラインLoによってコントロールユニット100に接続され、そのコントロールユニット100の発信する制御信号によって弁の開度を制御されるように構成されている。
又、都市ガス用流量制御弁1及びLPG用流量制御弁2も制御信号ラインLoによってコントロールユニット100に接続され、そのコントロールユニット100の発信する制御信号によって弁の開度を制御されるように構成されている。
更に燃料ガス供給ラインLxの遮断弁3とゼロガバナ4との間の領域には燃料ガス供給ラインLxを流過する燃料ガスの圧力を検出する圧力センサSpが介装しており、入力信号ラインLiによってコントロールユニット100に接続されている。
ガスエンジンE2には停電時対応用のバッテリー30がケーブルCによって接続され、そのケーブルCには開閉器40が介装されており、その開閉器40は制御信号ラインLoを介し、コントロールユニット100によって開閉を制御されるように構成されている。
制御方法及び作用効果は、図1〜図3の第1実施形態と実質的に同様であるが、図1〜図3の第1実施形態の燃料ガス流量調節弁5が1台であるのに対して、図4の第2実施形態では、粗動弁5a及び微動弁5bの二つの制御弁によって制御されるため、複数の燃料ガスの細かな性状上の差異に対しても正確に判別出来、より細かな制御が可能である。
図示の実施形態はあくまでも例示であり、本発明の技術的範囲を限定する趣旨の記述ではない旨を付記する。
例えば、図示の実施形態では、燃料用ガスとしてのシェアが大きいLPGと13Aとを使用する場合について説明している。しかし、バイオガスと13Aとを使用可能なエンジンについても、本発明を適用可能である。
本発明の第1実施形態の全体構成の概要を示すブロック図。 本発明の第1実施形態における起動時の制御方法を示したフローチャート。 本発明の第1実施形態における気体燃料の種類が変化した場合の制御方法を示したフローチャート。 本発明の第2実施形態の全体構成を示すブロック図。 従来技術におけるガスエンジンの全体構成を示すブロック図。
符号の説明
1・・・都市ガス用流量制御弁
2・・・LPG用流量制御弁
3・・・遮断弁
4・・・ゼロガバナ
5・・・流量調節弁
5a・・・粗動弁
5b・・・微動弁
6・・・ミキサ
7・・・スロットルバルブ
8・・・エンジン回転センサ
9・・・データベース
10、100・・・コントロールユニット
E、E2・・・エンジン
La・・・空気供給ライン
L13・・・都市ガス供給ライン
Lp・・・LPG供給ライン
Lx・・・燃料ガス供給ライン

Claims (4)

  1. 空気供給系統と、燃料ガス供給系統と、空気及び燃料ガスを混合する混合手段と、混合気の供給量を調節するためのスロットル弁と、回転数計測手段と、制御手段とを備え、前記燃料ガス供給系統には燃料ガス流量調節弁が介装されており、前記制御手段は、起動時に同一調速制御を行った際における回転数上昇速度を求め、該回転数上昇速度から燃料ガスの種類を判断する制御を行うことを特徴とするガスエンジン。
  2. 空気供給系統と、燃料ガス供給系統と、空気及び燃料ガスを混合する混合手段と、混合気の供給量を調節するためのスロットル弁と、回転数計測手段と、制御手段とを備え、前記燃料ガス供給系統には燃料ガス流量調節弁が介装されており、前記制御手段は燃料ガスの種類及び運転条件に対応したスロットル弁開度及び燃料ガス流量調節弁開度の特性を記憶する記憶手段を有しており、回転数が変動した際にスロットル弁開度を調節して回転数の変動を抑制し、調節したスロットル弁開度が目標値を外れていれば燃料ガス流量調節弁の弁開度を調節することによりスロットル弁開度を目標値にせしめ、その際の燃料ガス流量調節弁の弁開度が閾値を越えたならば前記記憶手段で記憶された特性を他の燃料ガスの特性に切り替える制御を行う様に構成されていることを特徴とするガスエンジン。
  3. 請求項1のガスエンジンの制御方法において、起動時に同一調速制御を行う工程と、該同一調速制御を行った際に回転数を計測して回転数上昇速度を求める工程と、該工程で求められた回転数上昇速度から燃料ガスの種類を判断する工程とを有していることを特徴とするガスエンジンの制御方法。
  4. 請求項2のガスエンジンの制御方法は、回転数を計測する工程と、ガスエンジンの回転数が変動した際にスロットル弁開度を調節して回転数の変動を抑制する工程と、調節したスロットル弁開度と目標値とを比較する工程と、調節したスロットル弁開度が目標値を外れている場合に燃料ガス流量調節弁の弁開度を調節し以ってスロットル弁開度を目標値にせしめる工程と、該工程の際における燃料ガス流量調節弁の弁開度を閾値と比較する工程と、燃料ガス流量調節弁の弁開度が閾値を越えている場合に記憶手段で記憶された特性を他の燃料ガスの特性に切り替える制御を行う工程、とを有することを特徴とするガスエンジンの制御方法。
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