JP2008038729A - ガスエンジンの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】混合燃料ガスを用いるガスエンジンの制御方法において、燃料ガスの混合割合の変化に対応して、適正な空気過剰率又は空燃比で運転できるようにする。
【解決手段】第１の燃料ガスと、該第１の燃料ガスより理論空気量が少ない第２の燃料ガスとを含む混合燃料ガスを使用する。ガスエンジンは、空燃比制御バルブと、リーンバーンセンサーと、制御装置と、を備えている。制御装置の記憶部には、第２の燃料ガスの混合割合が０の混合燃料を使用した場合の適正な基準空燃比マップと、第２の燃料ガスの混合割合が最大値の場合の混合燃料を使用した場合の適正な最大空燃比マップが書き込まれている。リーバーンセンサーの出力により求めた空気過剰率と空燃比制御バルブの開度とから、前記既存の両空燃比マップに基づいて、運転中の混合ガスの第２の燃料ガスの混合割合を求め、求めた混合割合に対応する適正な空燃比マップを作成し、運転する。
【選択図】図２

Description

本発明は、理論空気量の異なる２種類の燃料ガスによる混合燃料ガスを使用して運転するガスエンジンの制御方法に関する。ガスエンジンとして、たとえばコージェネレーションエンジンあるいはヒートポンプエンジン等が適用される。

この種のガスエンジンは、たとえばメタン等の第１の燃料ガスと、該第１燃料ガスよりも理論空気量が少ないプロパン等の第２の燃料ガスとを混合した混合燃料ガスを用いて運転しており、運転性能を維持するために、空燃比制御バルブを備えると共に、排気管内にリーンバーン（希薄燃焼）センサーを配置している。

運転時の基本的な制御として、リーンバーンセンサーにより排気中の酸素濃度を測定し、酸素濃度（リーンバーンセンサー出力）から空気過剰率を求め、空気過剰率の変化に対して、適正な空燃比となるように空燃比制御バルブの開度を制御し、たとえば図１０の下段の破線のグラフに示すように、空気過剰率を一定に保っている。

また、上記基本的な制御に加え、低負荷時の失火を防止すると共に、定格出力時でのＮＯｘ発生量を少なくするために、たとえば図１０の実線のグラフに示すように、低負荷時には空燃比制御バルブをリッチ側（燃料濃側）に制御して失火を防ぎ、定格出力では空燃比制御バルブをリーン側（燃料希薄側）に制御して、ＮＯｘを抑制している。さらに、図示していないが、定格出力を越えた高負荷運転では、出力確保のために、リッチ側に制御している。

なお、混合燃料ガスを用いたガスエンジンの制御方法の従来技術としては、特許文献１に記載されたガスエンジンの制御方法がある。
特開平８−１０５３３８号公報

理論空気量の異なる２種類の燃料ガスによる混合燃料ガスを用いている場合、運転時の各種条件あるいは燃料供給状況の変化により、常に一定のガス組成割合の混合燃料ガスを供給することは困難であり、ガス組成割合が変化することは避けられない。そして、混合燃料ガスのガス組成割合が変化すると、次のような課題が生じる。

（１）混合燃料ガスの仮想理論空気量が変化するため、予想している仮想理論空気量に対応するリーンバーンセンサー出力による空燃比制御では、ガス組成割合が変化した仮想理論空気量に対応する適正な空燃比制御は行えず、エンジン性能を適正な状態に維持できない。

（２）低負荷時の失火を防止するため、図１０で説明したように空燃比制御バルブをリッチ側に制御することが行われるが、混合燃料ガスのガス組成割合が変化していると、失火限界も変化し、予め設定していた量のリッチ側への変更であっても、失火が生じる場合がある。たとえば、図９は、空気過剰率λと、理論空気量の少ない第２の燃料ガスの混合割合Ｒとの相関図であり、３つのグラフＧ１，Ｇ２，Ｇ３は、第２の燃料ガスの混合割合を０とした時、すなわち第１の燃料ガスのみを用いた時の空気過剰率λが、それぞれ１と、１．３と、１．６である場合において、第２の燃料ガスの混合割合を変化させたグラフである。この図９において、いずれのグラフＧ１，Ｇ２，Ｇ３でも、第２の燃料ガスの混合割合Ｒが増加するに伴い、空気過剰率λは増加し、リーン側に変化している。特に、空気過剰率が最も大きいグラフＧ３では、第２の燃料ガスの混合割合Ｒが２０％近くになると、失火限界線Ｋを越えてしまい、失火が生じて、エンジンが運転できなくなる。

（３）ノッキングを防止するために、予め設定された混合割合に対する空気過剰率で制御していても、たとえば第２の燃料ガスの混合割合が増加してノッキング限界が低くなる場合には、ノッキングが発生することがある。

上記課題を解決するため本願請求項１記載の発明は、第１の燃料ガスと、該第１の燃料ガスより理論空気量が少ない第２の燃料ガスとを含む混合燃料ガスを使用するガスエンジンの制御方法において、前記ガスエンジンは、空燃比制御バルブと、空気過剰率を求めるためのリーンバーンセンサーと、制御装置と、を備えており、制御装置の記憶部には、第２の燃料ガスの混合割合が０の混合燃料ガスを使用した場合の適正な基準空燃比マップと、第２の燃料ガスの混合割合が最大値の場合の混合燃料ガスを使用した場合の適正な最大空燃比マップが書き込まれており、エンジン運転中において、リーバーンセンサーの出力により求めた空気過剰率と空燃比制御バルブの開度とから、前記既存の両空燃比マップに基づいて、運転中の混合燃料ガス中の第２の燃料ガスの混合割合を求め、求めた混合割合に対応する適正な空燃比マップを作成し、運転する。

上記制御方法によると、第１の燃料ガスと第２の燃料ガスとの混合割合が変化しても、変化した混合割合に対応した適正な空燃比制御が行え、適正な空気過剰率で運転でき、エンジンの熱効率及び出力を適正に維持出来ると共に、ＮＯｘを効率良く抑制することができる。

請求項２記載の発明は、請求項１記載のガスエンジンの制御方法において、前記ガスエンジンは負荷センサーを備え、第２の燃料ガスの低負荷の失火限界が、第１の燃料ガスの低負荷の失火限界より空気過剰率リッチ側の場合、低負荷時、前記空燃比制御バルブの開度が第２の燃料ガスの混合割合に比例してリッチ側に変更するように、空燃比マップを作成する。

上記制御方法によると、混合燃料ガスのガス組成割合が変化しても、低負荷時の失火を防止することができ、低負荷時の安定した運転が可能となる。

請求項３記載の発明は、請求項１記載のガスエンジンの制御方法において、第２の燃料ガスのノッキング限界が第１の燃料ガスのノッキング限界より低い場合、高負荷時、空燃比制御バルブの開度が、第２の燃料ガスの混合割合に比例して空気過剰率リーン側に変更するように、空燃比マップを作成する。

上記制御方法によると、混合燃料ガスのガス組成割合が変化して、ノッキング限界が低くなる場合でも、ノッキングの発生を回避しつつ、可能な限りの高出力を得ることが可能となる。

請求項４記載の発明は、請求項１のガスエンジンの制御方法において、ＮＯｘセンサーと、負荷センサーとを備え、空燃比マップは、ＮＯｘ濃度が、負荷の変化に対して一定となるように空燃比制御バルブを制御するように作成する。

上記制御方法によると、混合燃料ガスのガス組成割合が変化した場合でも、高負荷での低ＮＯｘ化が図れる。

請求項５記載の発明は、請求項１のガスエンジンの制御方法において、エンジン使用前に、第２の燃料ガスの混合割合が０の混合燃料により運転を行い、これにより、前記基準空燃比マップを作成し、記憶部に記憶する。

上記制御方法によると、エンジン使用前において、正確に基準空燃比マップを作成するので、運転中、第１の燃料ガスと第２の燃料ガスの混合割合を、精度良く推定することが可能となる。

請求項６記載の発明は、請求項１記載のエンジンの制御方法において、エンジン始動時、スロットル弁開度を調節することにより、吸入空気量を増減して、空気過剰率を始動適正範囲内におさめるように制御する。

上記制御方法によると、混合燃料ガスのガス組成割合が変化して、空燃比がリーン側又はリッチ側に変化している場合でも、エンジンを速やかに始動することができる。また、セルモータを短時間駆動するだけで、所定の空燃比に設定できるため、セルモータの寿命が長く保たれる。

請求項７記載の発明は、請求項６記載のガスエンジンの制御方法において、始動時に調節したスロットル弁開度から、燃料混合ガスの理論空気量を推定し、該理論空気量に応じて空燃比制御バルブの開度を修正する。

上記制御によると、混合燃料ガスのガス組成割合が変化して射る場合でも、始動直後から失火することなく、ガスエンジンを運転することができる。

図１〜図１５は、本発明にかかるガスエンジンの制御方法及び該制御方法を実施するためのガスエンジンの一例であり、これらの図面に基づいて、本発明の一実施の形態を説明する。

［ガスエンジンの構成］
図１は、本発明にかかる制御方法を実施するためのガスエンジン１の配管略図であり、たとえば、コジェネーレーション用ガスエンジンあるいはヒートポンプガスエンジンである。この図１において、エンジン本体１の燃焼室２には、点火プラグ３が設けられると共に、吸気口５及び排気口６がそれぞれ吸気弁及び排気弁を介して開口し、吸気口５には吸気通路８が接続し、排気口６には排気通路９が接続されている。

点火プラグ３は点火コイル１０に電気的に接続し、点火コイル１０はコントローラ（制御装置）１２の出力部に電気的に接続している。

吸気通路８内には、ベンチュリーミキサー１５が設けられると共に、該ベンチュリーミキサー１５の排気下流側近傍位置にスロット弁１６が設けられ、さらに、吸気通路８の上流端にはエアフィルター１７が設けられ、該エアフィルター１７を介して外部から吸気通路８内に空気を取り入れるようになっている。スロットル弁１６はガバナー２０により開閉するようになっており、ガバナー２０はコントローラ１２に電気的に接続されている。

前記ベンチュリーミキサー１５の燃料ガス噴出口１５ａは、燃料ガス通路２２を介して空燃比制御バルブ（燃料ガス供給バルブ）２３に接続し、該空燃比制御バルブ２３の入口部はレギュレータ２４を介して燃料タンク（燃焼ガス供給部）２５に接続している。空燃比制御バルブ２３は駆動モータ２８により開度が調節されるようになっており、該駆動モータ２８は前記コントローラ１２に接続されている。また、空燃比制御バルブ２３と並列にマス２７が設けられている。

前記排気通路９には、排気熱交換機３１が設けられると共に、該排気熱交換機３１の排気下流側にＥＧＲ管３２の排気回収口３２ａが開口している。ＥＧＲ管３２はＥＧＲ開度調節バルブ３３を備えると共に、排気出口３２ｂが吸気通路８の下流端部近傍に開口している。

各種パラメータの変化を測定するセンサーとしては、機関回転速度を検出する電磁ピックアップセンサー５１と、カム軸３６の回転を検出して吸気弁と排気弁の開閉時期を検出するカム信号電磁ピックアップセンサー５２と、排気口６と排気熱交換機３１との間の排気通路９に設けられて排気中の酸素濃度を測定することにより排気ガス中の空気過剰率を測定するリーンバーンセンサー５３と、吸気通路８の吸気下流端部に配置された吸気温度センサー５４と、エンジン本体１のシリンダに設置されて加速度によりノッキングを検出するノッキングセンサー５５と、筒内圧を測定することにより負荷を検出する負荷センサー５６と、を備え、排気熱交換機３１の下流側にも排気中の酸素濃度を測定するリーンバーンセンサー５７を備えており、各センサー５１，５２，５３，５４、５５、５６、５７はコントローラ１２の入力部に電気的に接続されている。負荷センサー５６としては、筒内圧を測定するセンサーの代わりに、エンジンに連結された発電機の電力（電流）を測定するセンサーを使用することも可能である。なお、リーンバーンセンサー５３の出力（測定酸素濃度）が大きいということは、空気過剰率が高い状態、すなわちリーン状態（燃焼希薄状態）であり、出力が小さくなるに従い、空気過剰率が低い状態、すなわちリッチ状態（燃料濃状態）に変化していることになる。

［ガスエンジンの基本的な作用］
燃料タンク２５内には、第１の燃料ガス（たとえばメタンガス）と、該第１の燃料ガスよりも理論空気量が少ない第２の燃料ガス（たとえばプロパンガス）と、を混合してなる混合燃料ガス６０が貯留されている。燃料タンク２５からの混合燃料ガス６０を、レギュレータ２４により調節し、空燃比制御バルブ２３の開度調節により、空気と混合して空燃比λを決定する。空燃比λが決定された混合燃料ガスは、燃料ガス通路２２を通り、ベンチュリーミキサー１５において空気（吸気）と混合される。空気と混合後の混合燃料ガスは、スロットル弁１６により吸気量を制御された後、燃焼室２に供給され、点火プラグ３により点火され燃焼される。

燃焼後の排気ガスは、排気口６から排気通路９に排出され、排気熱交換機３１により、適宜の熱媒体と熱交換された後、排出される。また、一部の排気ガスは、必要に応じてＥＧＲ管３２を介して吸気通路８に戻され、吸気と混合されて再度燃焼に利用される。

空燃比制御バルブ２３の開度，点火プラグ３の点火時期及びスロットル弁１６の開度は、コントローラ１２の出力部からの制御信号により、それぞれ制御信号の内容に応じて制御される。

［第１の基本制御］
コントローラ１２のＣＰＵには、第２の燃料ガスの混合割合Ｒの変化に対し、空燃比制御バルブ２３による適正な空燃比制御として、次のような基本的制御を実施するプログラムが組み込まれている。

（１）第２の燃料ガスの混合割合Ｒが０の混合燃料を使用した場合の適正な空燃比（空気過剰率）λ0と、第２の燃料ガスの混合割合Ｒが最大値（たとえばＲmax＝２０％）の混合燃料ガスを使用した場合の適正な空燃比λmaxとを、予め実験及び計算により求めておき、図３に示すように、空気過剰率(空燃比）λと空燃比制御バルブ開度との相関図上のマップＭO及びＭmaxとして作成し、コントローラ１２の記憶部に書き込んでおく。すなわち、第２の燃料ガスの混合割合Ｒが０の混合燃料ガスを使用した場合の適正な基準空燃比マップＭ0と、第２の燃料ガスの混合割合Ｒが最大値（たとえば２０％）の混合燃料ガスを使用した場合の適正な最大空燃比マップＭmaxとを、コントローラ１２の記憶部に書き込んでおく。

（２）リーバーンセンサー出力Ｌにより求めた空気過剰率λと、空燃比制御バルブ開度Ａとから、基準空燃比マップＭ0と最大空燃比マップＭmaxに基づいて、使用中の混合燃料ガス中の第２の燃料ガスの混合割合Ｒを求める。具体的には、図３において、測定されたリーンバーンセンサー出力がＬ、空燃比制御バルブ開度がＡ（位置Ｐ0）であるすると、基準空燃比マップＭ0上における空気過剰率Ｌに対応する空燃比制御バルブ開度Ａ（位置Ｐ１）と、最大空燃比マップＭmax上における空気過剰率Ｌに対応する空燃比制御バルブ開度Ａ２（位置ｐ2)とを求め、続いて、（Ａ２−Ａ１）の値に対する（Ａ−Ａ１）の値の割合を求め、この割合から、混合燃料ガス中の第２の燃料ガスの混合割合Ｒを求める。すなわち、Ｒ＝Ｒmax（Ａ−Ａ１）／（Ａ２−Ａ１）％が、測定中の混合燃料ガスにおける第２の燃料ガスの混合割合として求められる。Ｒmax は、第２の燃料ガスの最大混合割合である。

（３）上記求めた混合燃料ガスの混合割合Ｒから、次式に基づく空燃比マップＭxを作成し、目標空気過剰率λを求める。
λ＝λ0＋Δλ（Ｒ／Ｒmax)
ただし、λ0は基準空燃比マップＭ0上の空気過剰率であり、Δλは、最大空燃比マップＭmax上の空気過剰率λmax −基準空燃比マップＭ0上の空気過剰率λ0である。

［第１の基本制御のフロー］
図２は第１の基本制御をフロー図にまとめたものであり、運転中、ステップＳ１において、リーンバーンセンサー出力Ｌを読み込むと共に、ステップＳ２において、空燃比制御バルブ開度Ａを読み込み、ステップＳ３において、上記リーンバーンセンサー出力Ｌから、既存の基準空燃比マップＭ0及び最大空燃比マップＭmax上における空燃比制御バルブ開度Ａ１，Ａ２を読み込む（図３参照）。

ステップＳ４に進み、Ａ−Ａ１＞０か否かを判別する。すなわち、測定した空燃比制御バルブ開度Ａが、基準空燃比制御マップＭ0上の空燃比制御バルブ開度Ａ1より大きいか否かを判別し、ＮＯであれば、すなわちＡ＝Ａ１であれば、第２の燃料ガスの混合割合ＲがＯであると判断し、エンドに進み、基準空燃比制御マップＭ0に基づいて、適正な空気過剰率λ0となるように、空燃比制御バルブ開度を制御する。

一方、ステップＳ４において、ＹＥＳであれば、ステップＳ５に進み、使用中の混合燃料ガス中の第２燃料ガスの混合割合Ｒを、式、Ｒ＝Ｒmax×（Ａ−Ａ１）／（Ａ２−Ａ１）により求め、ステップＳ６に進む。

ステップＳ６において、上記求めた混合割合Ｒに対応する最適空燃比マップＭxを作成し、この最適空燃比マップＭxに基づいて、目標空気過剰率（目標空燃比）になるように空燃比制御バルブを制御する。具体的には、前記計算した混合割合Ｒを用い、前記式、λ＝λ0＋Δλ×Ｒｘ／Ｒmaxにより、混合割合Ｒの最適目標空気過剰率（空燃比）を求め、該最適目標空気過剰率となるように空燃比制御バルブを制御する。

図４は、混合燃料ガスの理論空気量と、第１の燃料ガスよりも理論空気量の少ない第２の燃料ガスの混合割合との相関図であり、第２の燃料ガスの混合割合が増加すると、必要空気量が減ることにより、混合燃料ガスの仮想理論空気量は減少することを示している。

図５は、目標空気過剰率λと第２の燃料の混合割合Ｒとの相関図であり、第２の燃料ガスの理論空気量が第１の燃料ガスの理論空気量よりも少ないことにより、第２の燃料ガスの混合割合Ｒが増加すると、図４で説明したように混合燃料ガスの仮想理論空気量は減少し、したがって、第２の燃料ガスの混合割合Ｒの増加に伴い、目標空気過剰率λを低下させるように、目標空燃比は低下する。

［第２の制御］
第２の燃料ガスの混合割合の変化に対し、前記第１の基本制御に加え、図１の負荷センサー５６により検出した負荷の変化を利用し、低負荷時における失火を防止する制御である。

（１）第２の燃料ガスの混合割合が０の混合燃料を使用した場合の適正な空燃比（空気過剰率）λ0と、第２の燃料ガスの混合割合が最大値（たとえばＲmax＝２０％）の混合燃料ガスを使用した場合の適正な空燃比λmaxとを、予め実験及び計算により求めておき、図７に示す空気過剰率(空燃比）λと負荷Ｔとの相関図上に、マップＭ0-1、Ｍmax-1として作成し、コントローラ１２の記憶部に書き込んでおく。すなわち、第２の燃料ガスの混合割合が０の混合燃料ガスを使用した場合の適正な基準空燃比マップＭ0-1（破線の曲線）と、第２の燃料ガスの混合割合が最大値（たとえば２０％）の混合燃料ガスを使用した場合の適正な最大空燃比マップＭmax-1（実線の曲線）とを、コントローラ１２の記憶部に書き込んでおく。これらのマップＭ0-1、Ｍmax-1 は、低負荷域では、最大空燃比マップＭmax-1上の目標空気過剰率λmaxが、基準空燃比マップＭ0-1上の目標空気過剰率λ0よりもリッチ側に来るように作成されている。なお、これらのマップＭ0-1、Ｍmax-1は、第２の燃料ガスの低負荷時の失火限界が、第１の燃料ガスの低負荷時の失火限界と比較して、リッチの場合に作成される。

（２）図６は第２の制御のフロー図であり、運転中、ステップＳ１において、負荷センサー５６により負荷Ｔを読み込むと共に、ステップＳ２において、第２の燃料ガスの混合割合に対応した目標空気過剰率λを読み込む。この目標空気過剰率λは、前記第１の基本制御において求められる。さらに、ステップＳ３において、リーンバーンセンサー出力を読み込み、ステップＳ４において、上記読み込んだリーンバーンセンサー出力から現在の空気過剰率を計算すると共に、ステップＳ５において、現在の空燃比制御バルブ開度Ａ３を読み込む。なお、前記ステップＳ３，４，５は、前記第１の基本制御と重複するが、重要な項目であるので、一応図６のフローにも書き込んでいる。

ステップＳ６において、現在の空燃比制御バルブ開度Ａ３が、目標空気過剰率λに対応する空燃比制御バルブ開度Ａ４と異なるか否かを判別し、ＮＯであれば、すなわち、等しければ、適正な空燃比制御バルブ開度であるとして、エンドに至る。

一方、ステップＳ６においてＹＥＳであれば、ステップＳ７に進み、空燃比制御バルブ開度Ａが目標空気過剰率λに対応する空燃比制御バルブ開度Ａ４となるように、空燃比制御バルブを調節する。

すなわち、第２の制御では、低負荷において、第２の燃料ガスの混合割合に対応した適正な空気過剰率に制御し、これにより、低負荷運転時における燃料希薄による失火を防ぐことができる。

［第３の制御］
第２の燃料ガスの混合割合の変化に対し、前記第１の基本制御に加え、負荷センサーにより検出した負荷を利用し、高負荷時においてノッキングを防止する制御である。

（１）第２の燃料ガスの混合割合が０の混合燃料を使用した場合の適正な空燃比（空気過剰率）λ0と、第２の燃料ガスの混合割合が最大値（たとえばＲmax＝２０％）の混合燃料ガスを使用した場合の適正な空燃比λmaxとを、予め実験及び計算により求めておき、図８に示すように空気過剰率(空燃比）λと負荷Ｔとの相関図上のマップＭ0-2、Ｍmax-2として作成し、コントローラ１２の記憶部に書き込んでおく。すなわち、第２の燃料ガスの混合割合が０の混合燃料ガスを使用した場合の適正な基準空燃比マップＭ0-2（破線の曲線）と、第２の燃料ガスの混合割合が最大値（たとえば２０％）の混合燃料ガスを使用した場合の適正な最大空燃比マップＭmax-2（実線の曲線）とを、コントローラ１２の記憶部に書き込んでおく。これらのマップＭ0-2、Ｍmax-2は、定格負荷を越える高負荷域では、基準空燃比マップＭ0-2上の目標空気過剰率λ0が、最大空燃比マップＭmax-2上の目標空気過剰率λmaxよりもリッチ側に来るように作成されている。なお、これらのマップＭ0-2、Ｍmax-2は、第２の燃料ガスの高負荷時のノッキング限界が第１の燃料ガスの高負荷時のノッキング限界と比較して低い場合（空気過剰率が低い場合）に作成される。

（２）この第３の制御のフロー図は、前記図７における第２の制御のフロー図と同じであり、具体的な説明は省略する。

図９において、第２の燃料ガスの混合割合の増加に伴い、混合燃料の空気過剰率が大きくなるので、第２の混合割合の増加に伴い、目標空気過剰率を下げ、可能な限りの出力を得ながらも、ノッキングを回避することができるのである。すなわち、第２の燃料ガスの混合量割合が増加して混合燃料ガスのノッキング限界が低くなる場合に、定格負荷より高負荷の領域において、ノッキングを回避しつつ、可能な限り高出力を得ることができる。

［第４の制御］
第２の燃料ガスの混合割合の変化に対し、前記第１の基本制御に加え、図１のＮＯｘセンサー５７を利用し、低負荷での失火を抑えつつ、高負荷でのＮＯｘ濃度を抑制するための制御である。具体的には、図１０の上段の実線のグラフに示すように、負荷の略全範囲において、ＮＯｘの発生量が一定となるように制御する。これを達成するために、図１０の下段の実線のグラフに示すように、低負荷においては、従来（破線）に比べて空気過剰率をリッチ側に変更し、高負荷においては、従来（破線）に比べて空気過剰率をリーン側に変更させるように、空燃比制御バルブを制御する。

［第５の制御］
第２の燃料ガスの混合割合の変化に対し、前記第１の基本制御に加え、エンジン使用前において基準空燃比マップＭ0を作成するための制御である。

図１１は第５の制御のフロー図であり、ステップＳ１において、エンジンを使用する前に、暫定の基準空燃比マップＭ0-3を作成し、コントローラ１２の記憶部に読み込んでおき、ステップＳ２において、第２の燃料ガスの混合割合Ｒが０の混合ガス燃料を使用して、エンジンを始動する。ステップＳ３において、エンジン運転中におけるリーンバーンセンサー出力Ｌ１を測定して、コントローラ１２の記憶部に記憶する。そして、ステップＳ４において、上記測定したリーンバーンセンサー出力Ｌ１と、暫定の基準空燃比マップＭ0-3上のリーンバーンセンサー出力Ｌ２とを比較して、異なるか否かを判別する。ＮＯの場合、すなわち、Ｌ１＝Ｌ２の場合は、エンドに至る。

一方ステップＳ４において、ＹＥＳの場合、すなわち、Ｌ１≠Ｌ２の場合には、ステップＳ５において、Ｌ１＝Ｌ２となるように、暫定の基準空燃比マップＭ0-3を修正する。

この第５の制御により、上記マップ修正後の運転は、正確に設定された基準空燃比マップＭ0に基づいて、前記第１，第２，第３及び第４の各制御等を実施することができる。

［第６の制御］
第２の燃料ガスの混合割合の変化に対し、前記第１の基本制御に加え、エンジン始動時において、空燃比（空気過剰率）の調節を、図１の空燃比制御バルブ２３によらずに、スロットル弁１６の開度調節により行う制御である。すなわち、スロットル弁開度を減少させることにより、吸入空気量を減らし、それにより空燃比をリッチ（燃料濃状態）にする。また、空燃比をリーン側に変化させたい場合は、スロットル弁開度を増加させることにより、吸入空気量を増加させ、希薄状態とする。この第６の制御によると、始動時に、空燃比制御バルブ開度が、リーン側又はリッチ側にずれていても、スロットル弁開度を制御することにより、吸入空気量を制御し、結果として空燃比を変更して、良好な始動性を発揮させることができるのである。

通常、エンジン始動時は、空気過剰率（空燃比）をリッチ側に変更するので、この第６の制御の一例として、始動時、スロットル弁開度を閉側に変化させることにより、吸入空気量を減らし、空気過剰率をリッチ側に変化させ、始動適正範囲内にもってくる。

図１４は、スロットル弁開度と吸入空気量の相関図であり、機関回転数の低、中及び高の違いにより、スロットル弁開度と吸入空気量との関係は変化するが、機関回転数の低、中及び高のいずれの場合でも、スロットル弁開度と吸入空気量はそれぞれ一定の関係を有している。すなわち、機関回転数の途中から吸入空気量は急速に立ち上がり、スロットル弁開度大域では概ね一定の吸入空気量に保たれている。このようなスロットル弁開度と吸入空気量との相関関係と、図１の吸気温度センサー５４で検出した吸気温度と、電磁ピックアップセンサー５１で検出した機関回転数とを加味して、スロットル弁開度から吸入空気量を推定する。この吸入空気量は、絶対温度に比例することが知られているので、式、２７３／（２７３＋ｔａ）よって、０℃の空気量に換算することができる。

図１３は、上記のようにスロットル弁開度から求めた吸入空気量と、空気過剰率との相関図であり、第２の燃料ガスの混合割合が０の場合の基準空燃比マップＭ0-4と、第２の燃料ガスの混合割合が最大値（２０％）の場合の最大空燃比マップＭmax-4とが、コントローラ１２の記憶部に記憶されている。範囲Ｅは空気過剰率の始動適正範囲である。エンジン始動時、スロットル弁開度を減少させることにより、吸入空気量を減らし、空気過剰率をリッチ側に変化させて、始動適正範囲Ｅ内にもってくる。これにより、始動時、空燃比制御バルブ２３を固定した状態でも、円滑な始動を行うことが可能となる。

従来は、始動時、空燃比制御バルブ開度を大きくすることにより、空気過剰率を小さくして、エンジン始動を行っていたが、本発明の第６の制御では、たとえば、スロットル弁開度を、図１３の位置Ｐ３から位置Ｐ４まで閉じることにより、吸入空気量を減らし、結果として空気過剰率をリッチ側に変更する。

図１２は、第６の制御の一例をフロー図で表したものであり、ステップＳ１において、まず、セルモータによりエンジンを回転させ、ステップＳ２において、スロットル弁開度をたとえば増側に変更し、ステップＳ３において、機関回転数Ｎ及びスロットル弁開度を読み込み、ステップＳ４において、混合燃料ガスにより自己回転を開始し始める。

エンジンが始動すると同時に、ステップＳ５においてスロットル弁開度を再度変更する。たとえば、減少側に変更する。

ステップＳ６において、読み込んだ機関回転数Ｎが、閾値Ｎ1を越えたか否かを判別し、ＮＯの場合、すなわちＮ≦Ｎ1の場合は、ステップＳ５に戻り、さらにスロットル弁開度を閉じ側に変更し、一方、ＹＥＳの場合、すなわちＮ＞Ｎ1の場合は、ステップＳ７に進む。

ステップＳ７においては、ガバナ２０によるスロットル弁１６のガバニングを開始し、ステップＳ８においては、始動時のスロットル弁開度から、目標空燃比制御バルブ開度を計算する。そしてステップＳ９において、目標空気過剰率となるように、空燃比制御バルブ開度を修正する。

図１５は、始動時における第６の制御の一例を、タイムチャートで表した図である。横軸は時間、縦軸の上段は空燃比制御バルブ開度、中段はスロットル弁開度、下段は機関回転数である。時点ｔ１から時点ｔ２まで区間は、セルモータで回転している区間であり、時点ｔ３は、回転数のガバニング制御が安定した時点であり、Ｎ0は機関回転数の閾値である。

上記時点ｔ１において、セルモータをＯＮにすると同時に、スロットル弁開度を増加させる。この時、空燃比制御バルブ開度は一定値に保たれている。

セルモータにより回転している区間ｔ１〜ｔ２において、スロットル弁開度は時間に比例して増加しており、空燃比制御バルブ開度は、一定値に保たれている。

時点ｔ2において、エンジンか混合燃料ガスによる自己回転を開始し、一方、スロットル弁開度は閉側に変更される。また、空燃比制御バルブ開度は、依然、一定値に保たれている。

エンジンは、時点ｔ２から自己回転を開始し、ガバニング制御の時点ｔ３に至るまでは、機関回転数は増加し、一方、スロットル弁開度は減少する。このスロットル弁開度の減少により、吸入空気量が減少し、その結果、空燃比はリッチ側へと変化する。空燃比制御バルブ開度は一定に保たれているが、上記のようにスロットル弁開度の制御により、リッチ側に変化させているので、失火が生じることなく、始動を円滑に行うことができる。

なお、機関回転数Ｎが閾値Ｎ１を越えると、ガバニングによるスロットル弁制御が行われ、所定の機関回転数に保たれる。

ガバニングが始まると同時に、空燃比制御バルブが、たとえばリーン側に制御される。

本発明にかかる制御方法を実施するためのガスエンジンの配管略図である。 本発明による第１の制御のフロー図である。 第１の制御に関する空燃比マップを記載した空気過剰率と空燃比制御バルブ開度との相関図である。 混合燃料ガスの理論空気量と第２の燃料ガスの混合割合との相関図である。 目標空燃比の変化を記載した目標空気過剰率と第２の燃料ガスの混合割合との相関図である。 本発明による第２及び第３の制御のフロー図である。 本発明による第２の制御に関する空燃比マップを記載した目標空気過剰率と負荷（トルク）との相関図である。 本発明による第３の制御に関する空燃比マップを記載した目標空気過剰率と負荷（トルク）との相関図である。 本発明による第２の制御に関する失火限界を記載した空気過剰率と第２の燃料ガスの混合割合との相関図である。 本発明による第４の制御に関するＮＯｘ並びに空気過剰率と、負荷との相関図である。 本発明による第５の制御のフロー図である。 本発明による第６の始動制御のフロー図である。 本発明による第６の始動制御に関する空気過剰率と吸入空気量との相関図である。 本発明による第６の始動制御に関する吸入空気量とスロットル弁開度との相関図である。 本発明による第６の始動制御を実施した場合のタイムチャート図である。

符号の説明

１ エンジン本体
２ 燃焼室
１２ コントローラ（制御装置）
１６ スロットル弁
２３ 空燃比制御バルブ
５１ 電磁ピックアップセンサー（機関回転数センサー）
５３ リーンバーンセンサー
５４ 吸気温度センサー
５７ 負荷センサー

Claims (7)

1. 第１の燃料ガスと、該第１の燃料ガスより理論空気量が少ない第２の燃料ガスとを含む混合燃料ガスを使用するガスエンジンの制御方法において、
   前記ガスエンジンは、空燃比制御バルブと、空気過剰率を求めるためのリーンバーンセンサーと、制御装置と、を備えており、
   制御装置の記憶部には、第２の燃料ガスの混合割合が０の混合燃料ガスを使用した場合の適正な基準空燃比マップと、第２の燃料ガスの混合割合が最大値の場合の混合燃料ガスを使用した場合の適正な最大空燃比マップが書き込まれており、
   エンジン運転中において、リーバーンセンサーの出力により求めた空気過剰率と空燃比制御バルブの開度とから、前記既存の両空燃比マップに基づいて、運転中の混合燃料ガス中の第２の燃料ガスの混合割合を求め、
   求めた混合割合に対応する適正な空燃比マップを作成し、運転する、
   ことを特徴とするガスエンジンの制御方法。
2. 請求項１記載のガスエンジンの制御方法において、
   前記ガスエンジンは負荷センサーを備え、
   第２の燃料ガスの低負荷の失火限界が、第１の燃料ガスの低負荷の失火限界より空気過剰率リッチ側の場合、低負荷時、前記空燃比制御バルブの開度が第２の燃料ガスの混合割合に比例してリッチ側に変更するように、空燃比マップを作成することを特徴とするガスエンジンの制御方法。
3. 請求項１記載のガスエンジンの制御方法において、
   第２の燃料ガスのノッキング限界が第１の燃料ガスのノッキング限界より低い場合、高負荷時、空燃比制御バルブの開度が、第２の燃料ガスの混合割合に比例して空気過剰率リーン側に変更するように、空燃比マップを作成することを特徴とするガスエンジンの制御方法。
4. 請求項１のガスエンジンの制御方法において、
   ＮＯｘセンサーと、負荷センサーとを備え、
   空燃比マップは、ＮＯｘ濃度が、負荷の変化に対して一定となるように空燃比制御バルブを制御するように作成することを特徴とするガスエンジンの制御方法。
5. 請求項１のガスエンジンの制御方法において、
   エンジン使用前に、第２の燃料ガスの混合割合が０の混合燃料ガスにより運転を行い、
   これにより、前記基準空燃比マップを作成し、記憶部に記憶することを特徴とするガスエンジンの制御方法。
6. 請求項１記載のガスエンジンの制御方法において、
   エンジン始動時、スロットル弁開度を調節することにより、吸入空気量を増減して、空気過剰率を始動適正範囲内におさめるように制御することを特徴とするガスエンジンの制御方法。
7. 請求項６記載のガスエンジンの制御方法において、
   始動時に調節したスロットル弁開度から、燃料混合ガスの理論空気量を推定し、該理論空気量に応じて空燃比制御バルブの開度を修正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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