JP2009057872A - ガスエンジンの統合制御方法及び装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ガスエンジンから検出されたエンジン回転速度信号と、その目標値となる速度指令値信号との偏差に基づき燃料ガス流量指令値を演算し、該燃料ガス流量指令値に応じて燃料流量制御バルブの燃料ガス流量を設定する速度制御工程と、前記燃料ガス流量指令値に対して適正空燃比となる混合気流量指令値を算出し、該混合気流量指令値と実混合気流量との偏差に基づきスロットルバルブの目標開度を設定するフィードバック制御を行う空燃比制御工程とを備え、出力変化に関連した入力信号の時系列変化量が基準範囲を超えた場合に、燃料流量制御バルブの制御量を補正する燃料流量補正処理、若しくは前記スロットルバルブの制御量を補正するスロットル開度補正処理のうち少なくとも何れか一方の補正処理を行うようにした。
【選択図】図2
Description
ガスエンジンにおいては、給気管から導入された空気中にガスミキサを介して燃料ガスを供給し、空気と燃料ガスからなる混合気を混合気供給管を介してエンジンの燃焼室に供給して燃焼運転を行い、駆動力を得る構成となっている。
同図に示されるように、該ガスエンジン1においては、エンジン燃焼用の空気は給気管10よりガスミキサ12に導入され、燃料ガスは燃料供給管13より分岐された主室燃料供給管14を通り、主室レギュレータ15で調圧され、主室燃料流量制御バルブ16にて流量調整された後ガスミキサ12に導入され、前記空気と混合され希薄混合気となる。該混合気は過給機25のコンプレッサ26で圧縮され、混合気供給管20から吸気弁が開く吸気行程中にシリンダ2内に導入され、燃焼に供される。燃焼後の排気ガスは、排気管28を経て過給機25のタービン27を駆動し、外部に排出される。
一方、副室ガスは、燃料供給管13から分岐した副室燃料供給管21を介して副室レギュレータ23で調圧された後、シリンダヘッド3に設けられた副室8内に導入され、圧縮上死点近くになると副室8の上部に付設された点火プラグのスパークにより副室内のガスが点火される。点火した火炎は主燃焼室(主室)7内へ噴出し、該主燃焼室内の混合気が点火されるようになっている。
そこで従来は、適正な燃焼状態で且つ適正な排ガス性状が維持される所定の空燃比となるように、燃料流量制御バルブ16により空燃比制御された混合気が形成され、この所定空燃比の混合気が混合気供給管20を介してガスエンジン1の主燃焼室7に供給されるようにしていた。
一方、空燃比制御とともに、負荷の増減に対して一定の回転・出力を得るためにエンジン回転速度制御も必要とされるが、これは上記所定空燃比に設定された混合気の流量をスロットルバルブ18にて開度制御することにより主燃焼室7に供給されるガス流量を調整し、速度制御を行っていた。
このように、従来のガスエンジンの制御では、上記した空燃比制御と速度制御からなる混合気制御方式が多く採用されていた。
この制御方法は、ガスエンジンの運転時において、燃料供給通路中の燃料流量の検出値に基づいて必要空気量を算出するとともに、給気通路における給気圧力及び給気温度の検出値に基づき実空気量を算出し、実空気量が必要空気量に一致するように、給気通路における給気量を制御するようになっている。
また、従来の混合気制御方式では、出力を確保するために過給圧力に余裕を持つ必要があり、スロットルバルブで発生するポンピングロスによる熱効率の低下が避けられなかった。一方、ガス制御方式では出力不足やポンピングロスの問題はないが、空燃比を適正に保つことが困難で、排気ガス規制に対応することが難しかった。
一方、特許文献2に記載されるガスエンジンは、複数のシリンダの夫々に燃料噴射装置、燃料供給量調整弁を備えた構成であり、本願とは基本構成が異なるものであるが、個々にこれらの装置を備えているため大型のエンジンに適用される場合はよいが、小型化は困難である。さらに、コンプレッサから送られた空気を給気放出弁にて排出することにより空気量を調整しているため効率が悪く、コンプレッサも大型化することとなる。
従って、本発明は上記従来技術の問題点に鑑み、高精度の空燃比制御を維持しながら負荷応答性を向上させるとともに、空燃比制御と速度制御を一元化して連携制御することにより円滑で高性能な運転制御を可能としたガスエンジンの統合制御方法及び装置を提供することを目的とし、特に負荷投入や負荷遮断等の過渡運転時の応答性を良好にしたガスエンジンの統合制御方法及び装置を提供することを目的とする。
前記ガスエンジンから検出されたエンジン回転速度信号と、その目標値となる速度指令値信号との偏差に基づいて燃料ガス流量指令値を演算し、該燃料ガス流量指令値に応じて前記燃料流量制御バルブの燃料ガス流量を設定する速度制御工程と、
前記燃料ガス流量指令値に対して適正空燃比となる混合気流量指令値を算出し、該混合気流量指令値と、前記ガスエンジンからの入力信号より算出された実混合気流量との偏差に基づき前記スロットルバルブの目標開度を設定するフィードバック制御を行う空燃比制御工程と、を備え、
前記ガスエンジンの出力変化に関連した入力信号の時系列変化量が基準範囲を超えた場合に、前記速度制御工程にて前記燃料流量制御バルブの制御量を補正する燃料流量補正処理、若しくは前記空燃比制御工程にて前記スロットルバルブの制御量を補正するスロットル開度補正処理のうち少なくとも何れか一方の補正処理を行うことを特徴とする。
従来の過渡時応答の改善方法は回転速度フィードバッグのPID調整以外になかった。しかし本発明によれば、過渡応答に追従し難いPID演算に加えて、上記した燃料流量補正処理を行って燃料ガス流量を急増又は急減することにより負荷遮断や負荷投入などの過渡運転時における応答性を大幅に改善することが可能となる。また、スロットル開度補正処理により、負荷投入や負荷遮断などの過渡運転時に供給燃料量に応じた適正な空燃比を保つことができ、負荷応答性の向上とともに制御性を改善することが可能となる。
本発明によれば、各種運転条件における燃料供給量の定量的制限ができ、適用対象エンジンに対して物理的に意味のある制限値を設けることが可能となる。即ち、混合気の適正空燃比に基づいて制限範囲を設定することにより、燃焼制御に際して適性な空燃比内で燃料供給することができるため、失火や異常燃焼を防止することが可能である。一方、ガスエンジンの許容耐久性に基づいて制限範囲を設定することにより、その耐久性の範囲内で運転制御できるため、ガスエンジンの不具合や故障、異常な劣化を防止することが可能である。
さらにまた、前記補正処理と前記リミット処理を併用することにより、異常燃焼の発生やストールを防ぐことが可能である。
このように、エンジン回転速度、吸気圧力、或いは負荷等の変化量に応じて、燃料ガス流量を増減させる補正処理を行うことにより、過渡運転時における応答性を格段に向上させることが可能となる。
本発明によれば、前記スロットル開度補正処理により負荷投入や負荷遮断などの過渡運転時に供給燃料量に応じた適正な空燃比を保つことができ、負荷応答性の向上とともに制御性を改善することが可能となる。
本発明によれば、負荷側又はガスエンジンの異常/停止信号に応じて補正係数0を乗じることにより、装置に不具合が発生したり、回転数が急上昇することを防止できる。
前記制御装置は、前記エンジン回転速度信号と、その目標値となる速度指令値信号との偏差に基づいて燃料ガス流量指令値を演算し、該燃料ガス流量指令値に応じて前記燃料流量制御バルブの燃料ガス流量を設定する速度制御部と、
前記燃料ガス流量指令値に対して適正空燃比となる混合気流量指令値を算出し、該混合気流量指令値と、前記エンジン回転速度信号と前記吸気圧力信号と前記吸気温度信号より算出された実混合気流量との偏差に基づき前記スロットルバルブの目標開度を設定するフィードバック制御を行う空燃比制御部と、を備えるとともに、
前記ガスエンジンの出力変化に関連した入力信号の時系列変化量が基準範囲を超えた場合に、前記速度制御部にて前記燃料流量制御バルブの制御量を補正する燃料流量補正手段、若しくは前記空燃比制御部にて前記スロットルバルブの制御量を補正するスロットル開度補正手段のうち少なくとも何れか一方の補正手段を備えることを特徴とする。
また、前記燃料流量補正手段は、エンジン回転速度の変化量、負荷の変化量、及び吸気圧力の変化量の少なくとも何れかに応じて、予め設定された補正係数を前記燃料流量制御バルブの制御量に乗じる演算を行う手段であることを特徴とする。
さらにまた、前記燃料流量補正手段若しくは前記スロットル開度補正手段は、負荷側又はガスエンジンの異常/停止信号に応じて、前記燃料流量制御バルブ若しくは前記スロットルバルブの制御量に補正係数0を乗じる演算を行う手段であることを特徴とする。
さらにまた、補正処理とリミット処理を併用することにより、負荷応答性を良好に維持しつつ異常燃焼の発生やストールを防ぐことが可能である。
図1は本発明の一実施例に係るガスエンジンとその制御装置を示す全体構成図、図2は本発明の実施例に係るガスエンジンの制御を示すブロック線図、図3はガス流量リミットマップの一例を示す図、図4は空気過剰率リミットマップの一例を示す図、図5は負荷応答性を比較するグラフで、(a)は補正処理無しの場合、(b)は補正処理有りの場合を示す図、図6は空気過剰率マップの一例を示す図、図7は負荷変化量−係数マップの一例を示す図、図8はMAP変化量−係数マップの一例を示す図、図9はガス変化量−補正量マップの一例を示す図である。
また、前記ガスエンジン1はシリンダ2とその上部にシリンダヘッド3を有し、クランクシャフト5にはコンロッド6を介してピストン4が連結され、シリンダ2内を上下移動自在に支持している。そして、ピストン4の上部には主燃焼室7が形成され、シリンダヘッド3には該主燃焼室7と副室噴孔を介して連通される副室8が形成されている。
前記ガスミキサ12の後流側には前記コンプレッサ26が接続されており、その下流には該コンプレッサ26で圧縮された混合気をシリンダ4の吸気ポートへ供給する混合気供給管20が接続されている。
前記混合気供給管20上には、前記シリンダ2の吸気ポートへ供給する混合気流量を調整するスロットルバルブ18が設けられている。該スロットルバルブ18は、ガバナ(調速装置)19に接続されており、バルブの開度により混合気流量が調整されるようになっている。尚、該混合気供給管20の下流側及び排気管28は、複数の燃焼室7に接続された多数の分岐管に別れているが、図1では簡略化して1本の分岐管のみが描かれている。
前記ガスエンジン1により駆動される発電機40は発電機制御盤41に接続され、該発電機制御盤41により、該発電機40が具備する遮断器の制御等の発電機全般の制御を行うようになっている。
前記エンジン電子制御ユニット50には、上記したMAPセンサ30、MATセンサ31、回転速度センサ32等の種々のセンサからの検出信号、或いは発電機制御盤41からの遮断信号等が入力されるとともに、これらの入力信号に基づいて各種演算処理を行い、演算結果を出力信号として各種バルブに送信し、制御を行うようになっている。出力信号としては、燃料ガス流量指令信号、スロットル開度制御信号、副室差圧制御バルブ開度信号等が挙げられる。
この制限範囲は、物理的意味を有するある一定の条件に基づき設定され、例えば以下の条件が考えられる。尚、制限範囲を決定する条件については、以下に示す条件のみに限定されない。
本方法によれば、ガスエンジン1の耐久性の範囲内で運転制御できるため、ガスエンジン1の不具合や故障、異常な劣化を防止することが可能である。
この方法では、燃焼可能な混合気の空気過剰率を要件としており、例えば図4に示される空気過剰率リミットマップに基づいて制限範囲が設けられる。この空気過剰率リミットマップは、エンジン回転速度と、負荷の代替としてMAP(%)とが用いられ、予めエンジン回転数とMAP(%)に応じた空気過剰率の下限値が定められている。そして、エンジン回転速度とMAP(%)の入力信号から空気過剰率リミットマップに基づきその時点における空気過剰率下限値を求め、さらに該空気過剰率下限値からこれに対応するガス流量を計算し、これをガス流量上限値とする。そして上記と同様に、該ガス流量上限値を、前記PID演算により求めた燃料流量指令値の上限とする。
尚、空気過剰率下限値からのガス流量の計算は以下の式(1)により行う。
本方法によれば、燃焼制御に際して適性な空燃比内で燃料供給することができるため、かかるリミット処理を行うことにより失火や異常燃焼を防止することが可能である。
このリミット処理は、複数段階設定するようにしてもよく、この場合最も制限範囲が小さいリミット値に合わせるものとする。或いは、リミット処理を複数段階設定し、運転条件に応じて使い分けるようにしてもよい。また、リミット処理の他の条件設定として、ガスエンジン1の性能に基づいて制限範囲を設定する方法、発電機40の発電効率に基づいて制限範囲を設定する方法、排ガス性状に基づいて制限範囲を設定する方法など、種々の条件に基づき設定可能である。
この燃料流量補正処理は、ガスエンジン1の出力変化に関連した入力信号の時系列変化量が基準範囲を超えた場合に、前記速度制御部51にて燃料流量制御バルブ16の制御量を補正するものであり、主に負荷投入時や負荷遮断時等の過渡応答時に適用される。前記基準範囲は予め設定されているものである。
前記ガスエンジン1の出力変化に関連した入力信号は、該出力変化に連動して変化する信号のことであり、例えばエンジン回転速度信号、負荷信号、吸気圧力信号、発電機40又はガスエンジン1の異常/停止信号等が挙げられる。
(I)エンジン回転速度の変化量に応じた補正処理
エンジン回転速度の単位時間当たりの変化量が遮断判定用変化量以上、且つ定格運転時、且つ遮断判定用設定速度以上である場合、予め設定された遮断用補正係数を有効にする。また、エンジン回転速度の変化量が投入判定用変化量以下、且つ定格運転時、且つ投入判定用設定速度以下である場合、予め設定された投入用補正係数を有効にする。これらの係数が有効になったら、前記燃料流量制御バルブ16の制御量に前記係数を乗じる演算処理を行う。即ち、燃料ガス流量制御出力に前記係数を乗じたものを制御信号の最終出力とする。
負荷(kW信号)の単位時間当たりの変化量に対する係数マップから、負荷変化時のガス流量制御係数を求める。図7に負荷変化量−係数マップの一例を示す。このマップは、負荷変化量に対して係数が設定された構成を有する。
そして、求めた係数を前記燃料流量制御バルブ16の制御量に乗じる演算処理を行う。即ち、燃料ガス流量制御出力に前記係数を乗じたものを制御信号の最終出力とする。
吸気圧力(MAP)の単位時間当たりの変化量に対する係数マップから、吸気圧力変化時のガス流量制御係数を求める。図8にMAP変化量−係数マップの一例を示す。この係数マップは、MAP変化量に対して係数が設定された構成を有する。
そして、求めた係数を前記燃料流量制御バルブ16の制御量に乗じる演算処理を行う。即ち、燃料ガス流量制御出力に前記係数を乗じたものを制御信号の最終出力とする。
これは、発電機40に接続された発電制御盤41からの異常/停止信号、或いはガスエンジン1からの異常/停止信号に基づき、該信号をトリガーにして供給燃料を停止する処理を行うものである。
発電機40又はガスエンジン1の異常発生を示す入力信号を検知した時、或いは負荷遮断の入力信号を検知した時に、前記燃料流量制御バルブ16の制御量に補正係数0を乗じる演算処理を行う。即ち、制御量を0%とする。
尚、本実施例にて、燃料流量補正処理に上記したリミット処理を併用することにより、負荷応答性を良好に維持しながら異常燃焼の発生やストールを防ぐことが可能である。
このように、前記速度制御部51では上記したPID演算、リミット処理、燃料流量補正処理により得られた燃料ガス流量指令値を出力信号とし、前記主室燃料流量制御バルブ16を制御して主室燃料ガス流量を調整し、速度制御を行うようになっている。
まず、前記速度制御部51で算出された燃料ガス流量指令値と、エンジン回転速度信号に基づいてエンジン負荷率(LOAD)を算出する。エンジン負荷率は、以下の式(2)により算出できる。
前記混合気流量指令値は、以下の式(3)により算出できる。
そして、前記混合気流量指令値と前記実混合気流量の偏差からPID演算によりスロットルバルブ18の目標開度を設定するフィードバック制御を行う。
このスロットル開度補正処理は、燃料ガス流量の変化量に応じてスロットルバルブの制御量の補正を行うものである。スロットル開度補正処理は、主に負荷投入や負荷遮断などの過渡運転時に適用され、予め設定された燃料ガス流量の単位時間当たりの変化量に対する補正値マップから燃料ガス流量変化時のスロットル開度補正量を求め、求めた補正量をスロットル制御出力に加算したものを最終出力とする。図9にガス変化量−補正量マップを示す。このマップは、ガス流量変化量に対して補正量が設定された構成を備える。
このスロットル開度補正処理により、負荷投入や負荷遮断などの過渡運転時に供給燃料量に応じた適正な空燃比を保つことができ、負荷応答性の向上とともに制御性を改善することが可能となる。
これは、発電機40又はガスエンジン1の異常発生を示す入力信号を検知した時、或いは負荷遮断の入力信号を検知した時に、前記スロットル開度の制御量に補正係数0を乗じる演算処理を行う。即ち、制御量を0%とする。
また、過給機25を具備したガスエンジン1に本発明を適用することにより、過給機25によるターボラグが最小限に抑えられ、応答性の向上に寄与する。また負荷投入時において、速度制御部51にて先に燃料ガスを増加することにより排気エネルギも増加するため、過給機25が迅速に作動して空気量を短時間で増大し、さらに燃料ガス流量の増加制御を行うことができるため、応答性をより一層向上させることができる。
さらにまた、補正処理とリミット処理を併用することにより、負荷応答性を良好に維持しながら異常燃焼の発生やストールを防ぐことが可能となる。
2 シリンダ
7 主室(主燃焼室)
8 副室
10 給気管
12 ガスミキサ
13 燃料供給管
14 主室燃料供給管
16 燃料流量制御バルブ
18 スロットルバルブ
20 混合気供給管
21 副室燃料供給管
25 過給機
30 MAPセンサ(マニホールド圧力センサ)
31 MATセンサ(マニホールド温度センサ)
32 エンジン回転速度センサ
33 副室ガス圧センサ
34 副室差圧センサ
40 発電機
41 発電機制御盤
50 エンジン電子制御ユニット(ECU)
51 速度制御部
52 空燃比制御部
Claims (10)
- 給気管を流れる空気中に、燃料流量制御バルブを介して導入される燃料ガスを混合し、この混合気をスロットルバルブにより流量調整して燃焼室に供給するようにしたガスエンジンの統合制御方法において、
前記ガスエンジンから検出されたエンジン回転速度信号と、その目標値となる速度指令値信号との偏差に基づいて燃料ガス流量指令値を演算し、該燃料ガス流量指令値に応じて前記燃料流量制御バルブの燃料ガス流量を設定する速度制御工程と、
前記燃料ガス流量指令値に対して適正空燃比となる混合気流量指令値を算出し、該混合気流量指令値と、前記ガスエンジンからの入力信号より算出された実混合気流量との偏差に基づき前記スロットルバルブの目標開度を設定するフィードバック制御を行う空燃比制御工程と、を備え、
前記ガスエンジンの出力変化に関連した入力信号の時系列変化量が基準範囲を超えた場合に、前記速度制御工程にて前記燃料流量制御バルブの制御量を補正する燃料流量補正処理、若しくは前記空燃比制御工程にて前記スロットルバルブの制御量を補正するスロットル開度補正処理のうち少なくとも何れか一方の補正処理を行うことを特徴とするガスエンジンの統合制御方法。 - 前記速度制御工程では、前記混合気の適正空燃比若しくは前記ガスエンジンの許容耐久性に基づいて少なくとも燃料ガス流量の上限値からなる制限範囲が予め設定され、前記燃料ガス流量指令値が前記制限範囲内となるようにリミット処理することを特徴とする請求項1記載のガスエンジンの統合制御方法。
- 前記燃料流量補正処理は、エンジン回転速度の変化量、負荷の変化量、及び吸気圧力の変化量の少なくとも何れかに応じて、予め設定された補正係数を前記燃料流量制御バルブの制御量に乗じる演算処理を行うことを特徴とする請求項1若しくは2記載のガスエンジンの統合制御方法。
- 前記スロットル開度補正処理は、前記燃料ガス流量指令値の変化量に応じて、予め設定された補正係数を前記スロットルバルブの制御量に加算する演算処理を行うことを特徴とする請求項1若しくは2記載のガスエンジンの統合制御方法。
- 前記燃料流量補正処理若しくは前記スロットル開度補正処理は、負荷側又はガスエンジンの異常/停止信号に応じて、前記燃料流量制御バルブ若しくは前記スロットルバルブの制御量に補正係数0を乗じる演算処理を行うことを特徴とする請求項1若しくは2記載のガスエンジンの統合制御方法。
- 給気管を流れる空気中に、燃料流量制御バルブを介して導入される燃料ガスを混合し、この混合気をスロットルバルブにより流量調整して燃焼室に供給するようにしたガスエンジンの制御装置であって、前記ガスエンジンの回転速度信号を検出する回転速度センサと、吸気圧力信号を検出する吸気圧力センサと、吸気温度信号を検出する吸気温度センサとを備え、これらのセンサからの入力信号に基づいて制御を行うガスエンジンの統合制御装置において、
前記制御装置は、前記エンジン回転速度信号と、その目標値となる速度指令値信号との偏差に基づいて燃料ガス流量指令値を演算し、該燃料ガス流量指令値に応じて前記燃料流量制御バルブの燃料ガス流量を設定する速度制御部と、
前記燃料ガス流量指令値に対して適正空燃比となる混合気流量指令値を算出し、該混合気流量指令値と、前記エンジン回転速度信号と前記吸気圧力信号と前記吸気温度信号より算出された実混合気流量との偏差に基づき前記スロットルバルブの目標開度を設定するフィードバック制御を行う空燃比制御部と、を備えるとともに、
前記ガスエンジンの出力変化に関連した入力信号の時系列変化量が基準範囲を超えた場合に、前記速度制御部にて前記燃料流量制御バルブの制御量を補正する燃料流量補正手段、若しくは前記空燃比制御部にて前記スロットルバルブの制御量を補正するスロットル開度補正手段のうち少なくとも何れか一方の補正手段を備えることを特徴とするガスエンジンの統合制御装置。 - 前記速度制御部では、前記混合気の適正空燃比若しくは前記ガスエンジンの許容耐久性に基づいて少なくとも燃料ガス流量の上限値からなる制限範囲が予め設定され、前記燃料ガス流量指令値が前記制限範囲内となるようにリミット処理することを特徴とする請求項6記載のガスエンジンの統合制御装置。
- 前記燃料流量補正手段は、エンジン回転速度の変化量、負荷の変化量、及び吸気圧力の変化量の少なくとも何れかに応じて、予め設定された補正係数を前記燃料流量制御バルブの制御量に乗じる演算を行う手段であることを特徴とする請求項6若しくは7記載のガスエンジンの統合制御装置。
- 前記スロットル開度補正手段は、前記燃料ガス流量指令値の変化量に応じて、予め設定された補正係数を前記スロットルバルブの制御量に加算する演算を行う手段であることを特徴とする請求項6若しくは7記載のガスエンジンの統合制御装置。
- 前記燃料流量補正手段若しくは前記スロットル開度補正手段は、負荷側又はガスエンジンの異常/停止信号に応じて、前記燃料流量制御バルブ若しくは前記スロットルバルブの制御量に補正係数0を乗じる演算を行う手段であることを特徴とする請求項6若しくは7記載のガスエンジンの統合制御装置。
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