JP2005344539A

JP2005344539A - ガスエンジンの空燃比制御システム

Info

Publication number: JP2005344539A
Application number: JP2004162932A
Authority: JP
Inventors: Nobuhiko Fukaya; 信彦深谷; Osamu Beppu; 治別府; Tetsuo Komoda; 哲男薦田
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 2004-06-01
Filing date: 2004-06-01
Publication date: 2005-12-15

Abstract

【課題】適正な空燃比制御を行なうことができるようにする。
【解決手段】ガスを主燃料とするガスエンジン（１）と、ガスエンジンの排気ガスにより回転駆動されてガスエンジンの給気加圧を行なう過給機（５）と、過給機の回転軸（８）により回転駆動される発電機（１５）と、発電機の作動を制御するコントローラ（１７）とを備え、コントローラは、発電機の発電電力を変化させることにより過給機の作動を制御すると共に、発電機により過給機を回転駆動させる。過給機により加圧された空気を冷却する空気冷却器（１０）と、空気冷却器からガスエンジン（１）へ給気される給気圧力を検出する圧力検出手段（１１）とをさらに備え、コントローラは、圧力センサが検出した給気圧力が略一定になるように発電機の発電電力を変化させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、都市ガス、ＬＰガス等のガスを主燃料とするガスエンジンの空燃比制御システムに関する。

ガスエンジンは、都市ガス、ＬＰガス等のガスを主燃料とする内燃機関であり、一般に、エンジンの構成はディーゼルエンジンをベースにしたものであり、熱サイクルはガソリンエンジンのオットーサイクルをベースにしたものと言える。ガスエンジンは、近年、発電用エンジンとしての利用が注目されており、ガスエンジンを用いた種々の高効率及び高出力の発電システムが開発されている。

しかし、このガスエンジンは、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンと比較して、始動から所定負荷に至るまでの立ち上がりが極めて遅いという弱点を有すると共に、シリンダ内の燃焼の安定化、及び低ＮＯ_x化を図るため、厳密な空燃比制御が必要となる。このため、給気加圧を行なう過給機を備えたガスエンジンでは、種々の方法によりエンジンヘ供給する空気量の制御が行われている。

例えば、図６に示すように、過給機１０２のブロア１０３により加圧した空気の一部を排気へバイパスさせることにより、ガスエンジン１０１の空燃比の調整を行うものがある。これは、ガスエンジン１の正常な運転を確保するため、通常は余剰な空気量を確保しておく一方で、大気温度の変化等に応じて、必要な空気量を供給できるようにするためである。また、図７に示すように、エンジン１０５の排気ガスのすべてを過給機１０６のタービン１０７へ送らずに、その一部をバイパスさせるものがある。これは、過給機１０６の出力を、過給機１０６に送る排気ガス量により制御しようとするものである。

この一方、ガスエンジンの排気ガスエネルギの有効活用の観点から、過給機の回転軸に発電機を直結し、排気ガスエネルギの余剰時には、過給機により発電機を回転駆動して、発電を行うことが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
実開昭６１−２００４２３号公報（第１−２図）

このように、従来のガスエンジンの空燃比制御システムは、過給機のブロアにより加圧した空気の一部を排気へバイパスさせたり、あるいは、エンジンの排気ガスのすべてを過給機のタービンへ送らずに、その一部をバイパスさせたりして、空燃比の調整を行っている。

しかしながら、前者の過給機によって加圧した空気の一部を排気へバイパスさせて空燃比の調整を行うものは、加圧空気のエネルギを大気に放出してしまうことになり、大きなエネルギ損失を起こすという問題がある。また、後者のエンジンの排気ガスのすべてを過給機のタービンへ送らずに、その一部をバイパスさせることにより空燃比の調整を行うものは、排気ガスのエネルギを有効に利用することができず、前者と同様に大きなエネルギ損失を起こすという問題がある。また、いずれの場合にもバイパス路が必要となるため、システム構成が複雑になるという問題がある。

一方、このガスエンジンを非常発電機用エンジンとして使用する場合には、規定時間内に所定負荷にまで到達し、発電可能となることが要求される。しかしながら、上述のように、ガスエンジンは、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンと比較して、始動から所定負荷への立ち上がりが極めて遅く、非常発電機用エンジンとして使用する場合に、解決すべき一つの課題となっている。

本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、大きなエネルギ損失を起こさずに適正な空燃比制御を行なうことができると共に、システム構成を簡略化することができる、ガスエンジンの空燃比制御システムを提供することを課題とする。また、始動から所定負荷まで、あるいは所定負荷からさらに高い所定負荷への立ち上がり時間を短縮できるように適正な空燃比制御を行なうことができる、ガスエンジンの空燃比制御システムを提供することを課題とする。

上述の課題を解決するために、本発明が採用する手段は、ガスを主燃料とするガスエンジンと、ガスエンジンの排気ガスにより回転駆動されてガスエンジンの給気加圧を行なう過給機と、過給機の回転軸により回転駆動される発電機と、発電機の作動を制御するコントローラとを備えたガスエンジンの空燃比制御システムにおいて、コントローラは、発電機の発電電力を変化させることにより過給機の作動を制御することにある。

このように、本ガスエンジンの空燃比制御システムにおいては、コントローラが、発電機の発電電力を変化させることにより過給機の作動を制御するから、過給機によって加圧した空気の一部を排気へバイパスさせて空燃比の調整を行う必要がなく、また、エンジンの排気ガスの一部を過給機のタービンを通さずにバイパスさせて空燃比の調整を行う必要がない。すなわち、過給機によって加圧した空気をすべてエンジンへ供給し、また、エンジンの排気ガスのすべてを過給機へ供給することができる。したがって、大きなエネルギ損失を起こさずに、適正な空燃比制御を行なうことができる。また、従来は必要であったバイパス路を排除することができ、システム構成を簡略化することができる。

上記ガスエンジンの空燃比制御システムにおいて、過給機により加圧された空気を冷却する空気冷却器と、空気冷却器からガスエンジンへ給気される給気圧力を検出する圧力検出手段とをさらに備え、コントローラは、圧力センサが検出した給気圧力が略一定になるように発電機の発電電力を変化させることが望ましい。

コントローラが、発電機の発電電力を変化させることにより過給機の作動を制御する方法として、過給機の回転数を検出し、過給機の回転数が略一定になるように発電機の発電電力を変化させることも考えられる。しかしながら、過給機の効率低下や機関の汚れが発生した場合、あるいは大気温度の季節的な変化によって空気密度が変化した場合には、過給機の回転数と給気圧力との間に隔たりが生じ、最適な空燃比を得ることができなくなる場合がある。

これに対し、空気冷却器を通過して空気冷却器からガスエンジンへ給気される給気圧力は、空気冷却器からガスエンジンへ給気される給気圧力が略一定になるように発電機の発電電力を変化させることにより、上述の過給機の汚れ、大気温度の季節的な変化等の影響を受けないこととなり、常に最適な空燃比を得ることができる。

上記ガスエンジンの空燃比制御システムにおいて、コントローラは、発電機の発電周波数を検出して、過給機の回転数が所定回転数を超えないように発電機の発電電力を変化させることが望ましい。

このように、コントローラが、発電機の発電周波数を検出して、過給機の回転数が所定回転数を超えないように発電機の発電電力を変化させることにより、過給機のオーバースピードを防止することができると共に、過給機のオーバースピードを監視するために回転数センサ等を過給機に配設する必要がなく、システムの簡略化とそれに伴うコスト削減を図ることができる。

また、上述の課題を解決するために、本発明が採用する手段は、ガスを主燃料とするガスエンジンと、ガスエンジンの排気ガスにより回転されてガスエンジンの給気加圧を行なう過給機と、過給機の回転軸により回転駆動される発電機と、発電機の作動を制御するコントローラとを備えたガスエンジンの空燃比制御システムにおいて、コントローラは、発電機により過給機を回転駆動させることにある。

このように、本ガスエンジンの空燃比制御システムにおいては、コントローラが、発電機により過給機を回転駆動させるから、例えば、排気ガスエネルギが十分には得られない始動から所定負荷までの間、あるいは所定負荷からさらに高い所定負荷への加速時に、発電機により過給機の回転数を上昇させることができ、高い給気圧力を得ることができる。これにより、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンと比較して、立ち上がりが極めて遅いというガスエンジンの一つの弱点を根本的に解決することができる。

さらに、上述の課題を解決するために、本発明が採用する手段は、ガスを主燃料とするガスエンジンと、ガスエンジンの排気ガスにより回転されてガスエンジンの給気加圧を行なう過給機と、過給機の回転軸により回転駆動される発電機と、発電機の作動を制御するコントローラとを備えたガスエンジンの空燃比制御システムにおいて、コントローラは、発電機により過給機を回転駆動させると共に発電機の発電電力を変化させることにより過給機の作動を制御することにある。上記二つの作用が相乗されて、さらに適正な空燃比制御を行なうことができる。

以上詳細に説明したように、本発明のガスエンジンの空燃比制御システムは、ガスを主燃料とするガスエンジンと、ガスエンジンの排気ガスにより回転駆動されてガスエンジンの給気加圧を行なう過給機と、過給機の回転軸により回転駆動される発電機と、発電機の作動を制御するコントローラとを備えたガスエンジンの空燃比制御システムにおいて、コントローラは、発電機の発電電力を変化させることにより過給機の作動を制御するから、大きなエネルギ損失を起こさずに適正な空燃比制御を行なうことができると共に、システム構成を簡略化することができるという優れた効果を奏する。

また、本発明のガスエンジンの空燃比制御システムは、ガスを主燃料とするガスエンジンと、ガスエンジンの排気ガスにより回転されてガスエンジンの給気加圧を行なう過給機と、過給機の回転軸により回転駆動される発電機と、発電機の作動を制御するコントローラとを備えたガスエンジンの空燃比制御システムにおいて、コントローラは、発電機により過給機を回転駆動させるから、始動から所定負荷まで、あるいは所定負荷からさらに高い所定負荷への立ち上がり時間を短縮できるように、適正な空燃比制御を行なうことができるという優れた効果を奏する。

本発明のガスエンジンの空燃比制御システムを実施するための最良の形態を、図１ないし図５を参照して詳細に説明する。

図１に示すように、ガスエンジン１は、都市ガス、ＬＰガス等のガスを主燃料とする内燃機関である。ガスエンジン１には主発電機２０が連結され、ガスエンジン１はこれを回転駆動して発電させる。ガスエンジン１には、過給機５、インタークーラ（空気冷却器）１０、高速発電機１５、負荷制御盤（コントローラ）１７が配設される。

過給機５は、ブロア６とタービン７とからなり、このブロア６とタービン７は回転軸８を介して連結される。過給機５のブロア６と、ガスエンジン１の給気マニホールド２との間には、ブロア６により加圧されて温度上昇した空気を、冷却媒体により冷却して圧縮するためのインタークーラ１０が介装される。

インタークーラ１０とガスエンジン１の給気マニホールド２との間には、インタークーラ１０からガスエンジン１へ給気される給気圧力を検出する圧力センサ１１（圧力検出手段）が配設される。また、過給機５のタービン７は、ガスエンジン１の排気マニホールド３に接続され、エンジン１の排気ガスにより回転駆動される。高速発電機１５が、過給機５の回転軸８に直結される。負荷制御盤１７は、高速発電機１５の発電電力を変化させることができ、高速発電機１５及び上述の圧力センサ１１が、負荷制御盤１７に電気的に接続される。

ガスエンジン１の排気ガスは、そのすべてが排気マニホールド３から過給機５のタービン７に導かれ、これを毎分数万回転という高速で回転駆動させる。過給機５のタービン７を駆動した排気ガスは、大気中へ排気される。過給機５のブロア６は、タービン７により回転駆動されて給気加圧を行い、この加圧空気がインタークーラ１０、図示しないサージタンク等を介してエンジン１の給気マニホールド２に送られ、さらにシリンダ４内へ供給される。また、高速発電機１５も、過給機５のタービン７により毎分数万回転という高速で回転駆動されて、主発電機２０と共に発電を行なう。

次に、本ガスエンジンの空燃比制御システムの作動について説明する。

図２は、過給機５のブロア６の特性を示す、いわゆるブロアマップである。横軸はブロア風量を示し、縦軸はブロア６の給気圧力を示す。符号３０はブロア６のザージ曲線であり、ブロア６はこのザージ曲線３０より大風量側の領域での運転が要求される。符号３１はブロア６の回転数一定曲線であり、符号３２は給気圧力一定線を示す。

ガスエンジン１が始動した後、過給機５のブロア６は、ブロア作動曲線３３に沿って回転数を上昇させ、この回転数の上昇と共に、ブロア風量及び給気圧力が上昇する。ここで、負荷制御盤１７が高速発電機１５の発電電力を零としたとき、ブロア６の回転数はＢ点まで上昇し、ブロア風量及び給気圧力も上昇する。

一方、負荷制御盤１７が高速発電機１５の発電電力を所定電力まで上昇させると、ガスエンジン１の排気ガスエネルギの一部は高速発電機１５の回転駆動に使用され、ブロア６の回転数は降下する。ブロア６の回転数の降下に伴って、ブロア風量と給気圧力はＣ点まで降下する。

ここで、本ガスエンジンの空燃比制御システムにおいては、Ｃ点の給気圧力として、上述の圧力センサ１１の検出した圧力Ｐ₀をとると、負荷制御盤１７は、給気圧力がこのＰ₀に維持されるように、高速発電機１５の発電電力を変化させる。すなわち、過給機５の効率低下やエンジン１の汚れが発生した場合、あるいは大気温度の季節的な変化によって空気密度が変化した場合にも、負荷制御盤１７がインタークーラ１０からガスエンジン１へ給気される給気圧力が略一定になるように、発電機の発電電力を変化させる。

このように、負荷制御盤１７が、インタークーラ１０からガスエンジン１へ給気される給気圧力が略一定になるように高速発電機１５の発電電力を変化させることにより、インタークーラ１０を通過してガスエンジン１へ給気される給気圧力は、過給機の汚れ、大気温度の季節的な変化等の影響を受けないこととなり、ガスエンジン１は常に最適な空燃比で運転される。

これに対し、図３に示すように、負荷制御盤１７が、過給機５の回転数を検出し、過給機５の回転数が略一定になるように、高速発電機１５の発電電力を変化させることもできる。しかしながら、上述の過給機５の効率低下やエンジン１の汚れが発生した場合、あるいは大気温度の季節的な変化によって空気密度が変化した場合には、過給機５の回転数と給気圧力との間に隔たりが生じ、最適な空燃比を得ることができない場合がある。

また、上述のガスエンジンの空燃比制御システムにおいては、負荷制御盤１７が、高速発電機１５の発電周波数を検出し、この発電周波数から過給機５の回転数がオーバースピードに関する所定回転数を超えないように、発電機の発電電力を変化させる。これにより、過給機５のオーバースピードを防止することができると共に、過給機５のオーバースピードを監視するために、回転数センサ等を過給機５に配設する必要がなく、システムの簡略化と、それに伴うコスト削減を図ることができる。

このように、本ガスエンジンの空燃比制御システムにおいては、負荷制御盤１７が、高速発電機１５の発電電力を変化させることにより、過給機５の作動を制御するから、従来のガスエンジンの空燃比制御システムのように、過給機５によって加圧した空気の一部を排気へバイパスさせて空燃比の調整を行う必要がなく、また、エンジン１の排気ガスの一部を過給機５のタービン７を通さずにバイパスさせて空燃比の調整を行う必要もない。すなわち、過給機５によって加圧した空気のすべてをエンジン１へ供給し、また、エンジン１の排気ガスのすべてを過給機５に供給することができる。

したがって、大きなエネルギ損失を起こさずに、適正な空燃比制御を行なうことができる。また、従来は必要であった過給機のブロア側又はタービン側のバイパス路を排除することができ、システム構成を簡略化することができる。

一方、負荷制御盤１７は、ガスエンジン１の出力上昇時に、高速発電機１５をモータとして使用し、過給機５を回転駆動させる。図４において、実線は、排気ガスのみにより過給機５を回転駆動させた場合のエンジン負荷上昇曲線を示し、破線は、排気ガスに加え、高速発電機１５により過給機５を回転駆動させた場合のエンジン負荷上昇曲線を示す。図４から明らかなように、特に排気ガスエネルギが十分には得られない始動から所定負荷までの加速時に、高速発電機１５により過給機５の回転数を上昇させることができ、過給機５によって、より高い給気圧力を得ることができる。

また、図５において、実線は、排気ガスのみにより過給機５を回転駆動させる場合の給気圧力の上昇曲線を示し、破線は、排気ガスに加え、高速発電機１５により過給機５を回転駆動させた場合の給気圧力の上昇曲線を示す。図５から明らかなように、第１の所定負荷からさらに高い第２ないし第３の所定負荷への出力上昇時にも、負荷制御盤１７は、高速発電機１５により過給機５を回転駆動させる。

この場合、高速発電機５によって過給機５の回転数を単に上昇させるだけではなく、排気ガスだけによる場合よりも、過給機５の回転上昇そのものを速やかに行うことができる。これは、高速発電機１５により過給機５を回転駆動させた場合の加速時間ｔ₂が、排気ガスだけによる加速時間ｔ₁よりも短いことからも明らかである。

本ガスエンジンの空燃比制御システムによれば、このように、負荷制御盤１７が、高速発電機１５により過給機５を回転駆動させるから、例えば、排気ガスエネルギが十分には得られない始動から所定負荷までの間や、所定負荷からさらに高い所定負荷への加速時に、高速発電機１５により過給機５の回転数を上昇させることができ、高い給気圧力を得ることができる。これにより、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンと比較して、立ち上がりが極めて遅いというガスエンジン１の一つの弱点を根本的に解決することができる。

なお、上述のガスエンジンの空燃比制御システムは、一例に過ぎず、種々の変形が可能なことは勿論である。

本発明のガスエンジンの空燃比制御システムを実施するための最良の形態を示すブロック図である。図１の過給機のブロアマップを示すグラフである。図２とは別の過給機のブロアマップを示すグラフである。図１のガスエンジン負荷と給気圧力との関係を示すグラフである。図１のガスエンジンの時間に対する給気圧力の変化を示すグラフである。従来のガスエンジンの空燃比制御システムを示すブロック図である。従来の別のガスエンジンの空燃比制御システムを示すブロック図である。

符号の説明

１ガスエンジン
２給気マニホールド
３排気マニホールド
４シリンダ
５過給機
６ブロア
７タービン
８回転軸
１０インタークーラ
１１圧力センサ
１５高速発電機
１７負荷制御盤
２０主発電機
３０ザージ曲線
３１回転数一定曲線
３２給気圧力一定線
３３ブロア作動曲線
１０１ガスエンジン
１０２過給機
１０３ブロア
１０５ガスエンジン
１０６過給機
１０７タービン
Ｐ₀ 圧力
ｔ₁，ｔ₂ 加速時間

Claims

ガスを主燃料とするガスエンジン（１）と、前記ガスエンジンの排気ガスにより回転駆動されて前記ガスエンジンの給気加圧を行なう過給機（５）と、前記過給機の回転軸（８）により回転駆動される発電機（１５）と、前記発電機の作動を制御するコントローラ（１７）とを備えたガスエンジンの空燃比制御システムにおいて、前記コントローラは、前記発電機の発電電力を変化させることにより前記過給機の作動を制御することを特徴とするガスエンジンの空燃比制御システム。
前記過給機（５）により加圧された空気を冷却する空気冷却器（１０）と、前記空気冷却器から前記ガスエンジン（１）へ給気される給気圧力を検出する圧力検出手段（１１）とをさらに備え、前記コントローラ（１７）は、前記圧力センサが検出した前記給気圧力が略一定になるように前記発電機（１５）の前記発電電力を変化させることを特徴とする請求項１に記載のガスエンジンの空燃比制御システム。
前記コントローラ（１７）は、前記発電機（１５）の発電周波数を検出して前記過給機（５）の回転数が所定回転数を超えないように前記発電電力を変化させることを特徴とする請求項１又は２に記載のガスエンジンの空燃比制御システム。
ガスを主燃料とするガスエンジン（１）と、前記ガスエンジンの排気ガスにより回転されて前記ガスエンジンの給気加圧を行なう過給機（５）と、前記過給機の回転軸により回転駆動される発電機（１５）と、前記発電機の作動を制御するコントローラ（１７）とを備えたガスエンジンの空燃比制御システムにおいて、前記コントローラは、前記発電機により前記過給機を回転駆動させることを特徴とするガスエンジンの空燃比制御システム。
ガスを主燃料とするガスエンジン（１）と、前記ガスエンジンの排気ガスにより回転されて前記ガスエンジンの給気加圧を行なう過給機（５）と、前記過給機の回転軸により回転駆動される発電機（１５）と、前記発電機の作動を制御するコントローラ（１７）とを備えたガスエンジンの空燃比制御システムにおいて、前記コントローラは、前記発電機により前記過給機を回転駆動させると共に前記発電機の前記発電電力を変化させることにより前記過給機の作動を制御することを特徴とするガスエンジンの空燃比制御システム。