JP2009057873A - ガスエンジンの統合制御方法及び装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】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、発熱量が不安定な燃料ガスに対しても安定した制御が可能なガスエンジンの統合制御方法及び装置を提供する。
【解決手段】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、該速度制御工程にて演算された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、前記速度制御工程にて、排気ガスより検出された実排気温度と、エンジン回転速度に基づき設定された目標排気温度との偏差に基づいてスロットルバルブの目標開度を補正する。
【選択図】図２

Description

本発明は、給気管から導入された空気中に燃料供給管から導入された燃料ガスを混合し、この混合気を混合気供給管より燃焼室に供給して燃焼せしめるガスエンジンに適用され、前記燃料供給管上に燃料ガス流量を調整する燃料流量制御バルブを備えるとともに前記混合気供給管上に混合気流量を調整するスロットルバルブを備えたガスエンジンの制御方法及び装置に関し、特に、これらの流量バルブによりエンジン回転速度と空燃比とを統合的に制御する電子制御ユニットを備えたガスエンジンの統合制御方法及び装置に関する。
ガスエンジンは、天然ガス、都市ガス等の気体燃料（燃料ガス）を用いて燃焼運転する内燃機関であり、高効率且つ高出力を得られることから主に常用・非常用発電用エンジンや建設機械用エンジン、船舶、鉄道等に搭載されるエンジン等に幅広く利用されている。また、ガスエンジンでは発電機による電力供給のみならず廃熱を温水の加熱源などに利用できるため、エネルギの利用効率に優れている。
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。
図７に、従来の一般的なガスエンジンを示す。尚、ここでは一例として、過給機付き希薄燃焼ガスエンジンで、且つ点火用副室を有する構成につき示している。
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。
このようなガスエンジンにおいては、ノッキングや失火を回避した最適な燃焼状態を維持し、また排気ガス中の有害物質の排出を抑制するために、燃料ガスの発熱量等の燃料ガス特性に応じた空燃比制御を行うことが必要である。
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。
また、ガスエンジンの空燃比制御の別の方法として、特許文献１（特開平５−１４１２９８号公報）に開示されるように、ガスエンジンの排気管に酸素センサを配設し、該酸素センサで検出された排気ガス中の酸素濃度に基づいてガスエンジンの空燃比が理論空燃比に対してリッチ状態にあるかリーン状態にあるかを検出し、その結果に基づいて空燃比を制御する制御方法がある。
さらにまた、特許文献２（特開２００３−２６２１３９号公報）には、過給機のコンプレッサにより加圧された空気が、給気通路を介して複数存在するシリンダの夫々に設けられた燃料噴射装置に供給され、一方燃料供給管からの燃料ガスは各燃料噴射装置に導入され、該燃料噴射装置にて混合された混合気が各シリンダに供給される構成を備えたガスエンジンの制御方法につき開示されている。
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。
特開平５−１４１２９８号公報 特開２００３−２６２１３９号公報
しかしながら、上記したような従来の混合気制御方式では、空燃比制御が容易であるという利点を有するものの、出力変化に対する応答が遅いという問題があった。特に、負荷投入時や負荷遮断時における応答が遅く、高性能化を達成するためにより良好な負荷応答性が求められていた。また、応答性の問題の一つとして、出力を安定させるために微調整しても応答が遅いため回転・出力が不安定化するという問題もある。さらに、過給機（ターボチャージャ）を備えたガスエンジンの場合、過給機の作動の遅れによるターボラグがあるため、より一層応答性が悪くなってしまうという問題があった。
エンジン回転速度制御を迅速に行う方法として、出力変化に対応して燃料ガス流量を制御するガス制御方式もあるが、従来のガス制御方式では空燃比制御が困難であるため安定した燃焼制御が図れなかった。また空燃比を適正に保つことが難しいため排気ガス規制遵守などの障害になりやすいという問題があった。さらに、従来の一般的なガス制御方式では、燃料流量制御バルブの開度などの供給燃料量を定量的に把握できない制御となるため、過度な燃料供給によるエンジンのオーバーランや過負荷が発生しやすかった。特に、負荷投入時や負荷遮断時などの過渡運転時において、空燃比の精密な制御が困難であることにより負荷投入時のストールや異常燃焼などが発生しやすかった。
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。
さらに、特許文献１に記載されるように、酸素センサからの検出信号をフィードバック信号として用いた空燃比制御では、酸素センサが高価であるためコストが高くなってしまう。
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。
また、ガスエンジンに用いられる燃料ガスは、天然ガス、プロパンガス、汚泥消化ガスなど多種に渡るが、これらは各成分により熱量が異なり、空燃比制御を大きく変化させる要因となる。よって、空燃比を一定に維持する従来の混合気制御方式では、空燃比が変動することにより出力不足や始動不能などの不適合を引起し、安定した制御が行えないという問題もあった。
さらにまた、従来の制御装置では、空燃比制御と速度制御を夫々別個の制御装置にて行っていたが、制御装置は高価であるためコストが嵩むという問題があり、また夫々の制御の連携が困難であり一連の円滑な制御が難しいという問題もあった。
従って、本発明は上記従来技術の問題点に鑑み、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、さらには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、発熱量が不安定な燃料ガスに対しても安定した制御が可能な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。
そこで、本発明はかかる課題を解決するために、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し、燃焼後の排気ガスを排気管から排気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、
前記速度制御工程にて演算された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、
前記速度制御工程にて、前記排気ガスより検出された実排気温度と、前記エンジン回転速度に基づき設定された目標排気温度との偏差に基づいて前記スロットルバルブの目標開度を補正する排温補正処理を行うことを備えたことを特徴とする。
本発明によれば、エンジン回転速度の変化に応じて燃料流量制御バルブを直接制御することにより燃焼室へ供給される燃料ガス流量を迅速に増減することができるため、出力応答が速くなり、安定した速度制御が可能となる。さらに、燃料ガス流量に追従する形で、適正空燃比となるようにスロットルバルブを開閉制御して混合気流量を調整し空燃比制御を行う構成としている。これにより、出力変化に対する応答性の向上及び出力制御の安定化が図れるとともに、精度良く空燃比制御を行うことが可能となる。特に、負荷投入時や負荷遮断時等の過渡運転時において負荷応答性を格段に向上させることが可能である。
また、本発明では混合気流量制御にスロットルバルブを用いているが、各種温度圧力の計測値から燃料流量制御バルブを用いて精度良く空燃比制御を行うことが可能で、混合気制御とガス制御方式の両利点をバランスさせることにより、適切な空燃比を保ちながらポンピングロス、即ちスロットル損失を最小限に抑えることが可能となる。さらに、各種温度圧力の計測値から燃料流量制御バルブとスロットルバルブを用いて精度良く空燃比制御を実現することが可能であるため、高価な排気ガスセンサ（酸素センサ）が不要となり、装置を安価にすることができる。尚、本発明においては、前記エンジン回転速度の代わりに、エンジン回転数、エンジン負荷、エンジン出力を用いるようにしてもよい。
さらに、本発明によれば、空燃比制御において実際の排気温度と目標排気温度の偏差に基づいて理論空燃比を補正する排温補正処理を行うようにしたため、燃料ガスの発熱量が変動する場合であっても適切な空燃比制御が可能となり、出力不足や始動不能等の不具合を回避できる。
さらにまた、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。
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。
また、前記排温補正処理にて、前記目標排気温度を、前記ガスエンジンからの他の温度に関する入力信号に基づいて適正化する適正化処理を行うことを特徴とする。
本発明によれば、排温補正処理において水温、油温、吸気温度等の他の温度に関する入力信号に基づいて目標排温を適正化することにより、より実際の燃焼状態に即した目標排温を得ることが可能となる。
さらに、前記燃焼室を備えた気筒が複数存在する前記ガスエンジンの統合制御方法であって、前記排温補正処理にて、各気筒にて検出される排気温度の平均値を算出し、該平均値と前記実排気温度とを比較して各気筒における偏差を夫々算出し、該偏差が予め設定した偏差閾値を越える気筒の検出値を除いて排気温度の平均値を求める平均化処理を行うことを特徴とする。
本発明のように、排温補正処理において各気筒の排気温度のばらつきを監視することにより、特定の気筒の失火や断線などが発生した場合であっても、適正な排温補正処理を行うことが可能となる。
また、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、排気温度信号を検出する排気温度センサと、これらのセンサからの入力信号に基づいて制御を行う制御装置とを備えた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、
前記速度制御部にて演算された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、
前記速度制御部は、前記排気温度信号と、前記エンジン回転速度に基づき設定された目標排気温度との偏差に基づいて前記スロットルバルブの目標開度を補正する排温補正手段を有することを特徴とする。
さらに、前記排温補正手段は、エンジン回転速度と負荷率に対して目標排気温度が設定された排気温度マップを有しており、前記エンジン回転速度信号と、該エンジン回転速度信号と前記燃料ガス流量指令値から算出されたエンジン負荷率に基づいて前記目標排気温度を求める構成であることを特徴とする。
また、前記速度制御部は、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手段を備えたことを特徴とする。
さらに、前記排温補正手段は、前記目標排気温度を、前記ガスエンジンからの他の温度に関する入力信号に基づいて適正化する適正化手段を備えたことを特徴とする。
さらにまた、前記燃焼室を備えた気筒が複数存在する前記ガスエンジンの統合制御装置であって、前記排温補正手段は、各気筒にて検出される排気温度の平均値を算出し、該平均値と前記実排気温度とを比較して各気筒における偏差を夫々算出し、該偏差が予め設定した偏差閾値を越える気筒の検出値を除いて排気温度の平均値を求める平均化手段を備えたことを特徴とする。
以上記載のごとく本発明によれば、エンジン回転速度の変化に応じて燃料流量制御バルブを直接制御することにより燃焼室へ供給される燃料ガス流量を迅速に増減することができるため、出力応答が速くなり、安定した速度制御が可能となる。さらに、燃料ガス流量に追従する形で、適正空燃比となるようにスロットルバルブを開閉制御して混合気流量を調整し空燃比制御を行う構成としている。これにより、出力変化に対する応答性の向上及び出力制御の安定化が図れるとともに、精度良く空燃比制御を行うことが可能となる。特に、負荷投入時や負荷遮断時等の過渡運転時において負荷応答性を格段に向上させることが可能である。また、速度制御と空燃比制御を一元化して連携制御する構成としたため、円滑で高性能な運転制御が可能となるとともに、高価な制御装置を複数設置する必要がなくなり、さらに高価な排ガスセンサを設置しなくてもよいことから大幅なコストダウンが可能となる。
さらに、速度制御においてリミット処理を行うことにより、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、本発明によれば空燃比制御において実際の排気温度と目標排気温度の偏差に基づいて理論空燃比を補正する排温補正処理を行うようにしたため、燃料ガスの発熱量が変動する場合であっても適切な空燃比制御が可能となり、出力不足や始動不能等の不具合を回避できる。
さらに、排温補正処理において水温、油温、吸気温度等の他の入力信号に基づいて目標排温を適正化することにより、より実際の燃焼状態に即した目標排温を得ることが可能となる。
さらにまた、排温補正処理において各気筒の排気温度のばらつきを監視することにより、特定の気筒の失火や断線などが発生した場合であっても、適正な排温補正処理を行うことが可能となる。
以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
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は本発明の実施例に係る排温補正処理を示すブロック線図、図４はガス流量リミットマップの一例を示す図、図５は空気過剰率リミットマップの一例を示す図、図６は空気過剰率マップの一例を示す図である。
図１を参照して、本実施例に係るガスエンジンの全体構成につき説明する。本実施例では、一例として発電機を駆動するための過給機付き希薄燃焼ガスエンジンで、且つ点火用副室を有する構成につき示しているが、本実施例の構成はこの形式のガスエンジンに限定されるものではなく、過給機を備えないガスエンジン、或いは希薄燃焼（リーンバーン）以外の燃焼方式によるガスエンジンにも適用可能である。また、駆動対象は図示されるように発電機が好ましいが、発電機以外の場合にも適用可能である。
同図に示すように、発電機４０を駆動するガスエンジン１は、空気と燃料ガスからなる混合気を主燃焼室（主室）７に供給するための混合気供給管２０と、燃焼後の排気ガスを主室７から外部に排出するための排気管２８とを備えている。前記混合気供給管２０と前記排気管２８は、夫々過給機２５のコンプレッサ２６とタービン２５に接続されている。
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。
空気を給気する給気管１０には、給気中のごみや異物を除去するエアクリーナ１１と、空気と燃料ガスを混合するガスミキサ１２とが接続されている。該ガスエンジン１に燃料ガスを供給する燃料供給管１３は、主室燃料供給管１４と副室燃料供給管２１とに分岐され、主室燃料供給管１４は、前記給気管１０にガスミキサ１２を介して接続されている。前記主室燃料供給管１４には、主室７へ供給される燃料ガスを所定の圧力に調圧する主室レギュレータ１５と、主室７へ供給する燃料ガスの流量を調整する主室燃料流量制御バルブ（燃料流量メータリングバルブ）１６とが設けられている。該主室燃料流量制御バルブ１６は、電子制御により流体の流量を調節することができる可変のバルブであり、その構成は公知である。前記副室燃料供給管２１には、副室８へ供給される燃料ガスを圧縮するコンプレッサ２２と、該燃料ガスを所定の圧力に調圧する副室レギュレータ２３と、副室差圧を制御する差圧制御バルブ２４とが設けられている。
前記過給機２５は、前記シリンダ２の排気ポートから排気管２８を通って導入される排気ガスによって駆動されるタービン２７と、該タービン２７と同軸に配設された空気圧縮用のコンプレッサ２６よりなる周知の装置構成を有する。
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。
上記した構成のガスエンジン１においては、給気管１０より吸入された燃焼用の空気はガスミキサ１２に導入され、燃料ガスは燃料供給管１３から主室燃料供給管１４を通って主室レギュレータ１５に導入されて調圧された後、燃料流量制御バルブ１６にて流量調整されてガスミキサ１２へ導入される。空気と燃料ガスはガスミキサ１２で混合され、希薄混合気となり過給機２５のコンプレッサ２６で圧縮され、混合気供給管２０を通ってスロットルバルブ１８にて混合気流量を調整された後、シリンダヘッド３に設けられた吸気ポートに供給され、該吸気ポートの吸気弁が開く吸気行程にシリンダ２内に吸入される。一方、燃料ガスの一部は燃料供給管１３から副室燃料供給管２１を通って副室レギュレータ２３で調圧された後、副室８に導入される。このとき、副室レギュレータ２３の出口側の副室ガス圧の設定は、混合気供給管２０の内圧と副室燃料供給圧の差圧に基づき負荷に応じた適正な圧力に設定される。該副室８内の副室ガスは、圧縮行程にて圧縮上死点になると点火プラグのスパークにより点火され、点火した火炎はシリンダ２内へ噴出し主室７内の混合気が点火され、膨張行程にて全体に火炎伝播し、やがて燃焼は終了する。燃焼後の排ガスは、排気行程にて排気ポートより排気管２８を介して排出される。
また、本実施例に係るガスエンジン１は、エンジンの動作状態を検出するセンサが複数設置されている。本実施例では、混合気供給管２０上に、吸気圧力（マニホールド圧力：ＭＡＰ）を検出するＭＡＰセンサ３０が設けられるとともに、吸気温度（マニホールド温度：ＭＡＴ）を検出するＭＡＴセンサ３１とが設けられている。ガスエンジン１には、エンジン回転速度を検出する回転速度センサ３２が設けられている。その他、副室ガス圧を検出する副室ガス圧センサ３３、副室差圧を検出する副室差圧センサ３４、排気ガス温度を検出する排温センサ３５、トルクを検出するトルク検出センサ（図示略）等が設けられている。
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。
ガスエンジン１の運転は、エンジン電子制御ユニット（ＥＣＵ）５０によって制御される。該エンジン電子制御ユニット５０は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等を備えるコンピュータとして構成されており、これらの機器により、エンジン回転速度を制御する機能を有する速度制御部５１と、空燃比制御を行う機能を有する空燃比制御部５２とが構成される。前記速度制御部５１と前記空燃比制御部５２は互いに連携制御されるようになっている。
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。
また、副室８を備えたガスエンジン１の場合、前記エンジン電子ユニット５０にて、ＭＡＰセンサ３０からの吸気圧力信号、副室ガス圧センサ３３からの副室ガス圧信号、副室差圧センサ３４からの副室差圧信号を夫々入力信号として副室差圧制御を行う副室差圧制御部（図示略）を備えている。この副室差圧制御部は、吸気圧力と副室ガス圧と副室差圧の相関関係、即ち、（副室ガス圧）＝（副室差圧）−（吸気圧力）の関係を利用して、前記吸気圧力、前記副室ガス圧、前記副室差圧の何れか２の圧力から他の圧力を求める演算手段を備えている。これにより、何れかの圧力センサに異常が発生した場合であっても、正常な他の２つの圧力センサからの検出信号に基づいて圧力を算出することが可能となり、同種の圧力センサを複数設置することを廃止できる。
図２に、前記エンジン電子制御ユニット５０における制御フローを示す。該エンジン電子制御ユニット５０における主要な制御は、速度制御部５１にて、エンジン回転速度センサ３２にて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１６の燃料ガス流量を設定することによりエンジン回転速度を制御する速度制御工程と、空燃比制御部５２にて、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１８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からなる。
図２を参照して、速度制御部５１における具体的な制御フローにつき説明する。まず、定格運転時の目標値となるエンジン回転速度指令値信号と、エンジン回転速度センサ３２にて検出された実際のエンジン回転速度信号との偏差に基づいてＰＩＤ演算により燃料流量指令値を算出する。尚、前記エンジン回転速度指令値は、定格運転時、増速運転時、減速運転時の夫々にて設定速度は変更される。また、アイドル運転、定格運転、増速リミット、減速リミットの設定速度は変更可能とする。また、本実施例において、前記エンジン回転速度の代わりに、エンジン回転数、エンジン負荷、エンジン出力を用いるようにしてもよい。
次いで、算出された燃料流量指令値に対して、リミット処理を行う。リミット処理は、燃料ガス流量の少なくとも上限値からなる制限範囲が予め設定されており、前記ＰＩＤ演算により算出された燃料流量指令値がこの上限値を超える場合は、該制限範囲内となるように燃料流量指令値を修正する。尚、該制限範囲は、上限下限からなる範囲としてもよい。
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。
具体例として、定常運転において、ガスエンジン自体の許容耐久性に基づいて制限範囲を設定する方法が挙げられる。これは、ガスエンジン１の許容回転速度、許容負荷率等の許容耐久性を条件としており、例えば図４に示されるガス流量リミットマップに基づいて制限範囲が設けられる。このガス流量リミットマップは、エンジン回転速度と、負荷の代替としてＭＡＰ（％）（全負荷運転に対するマニホールド圧の割合）とがパラメータとして用いられ、予めエンジン回転速度とＭＡＰ（％）に応じたガス流量の上限値が定められている。そして、エンジン回転速度とＭＡＰ（％）の入力信号からガス流量リミットマップに基づきその時点におけるガス流量上限値を求め、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。
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。
また、他の具体例として、過渡運転時において、ガスエンジン１の空燃比に基づいて制限範囲を設定する方法が挙げられる。好適には、空気過剰率λが０．５〜２．２の範囲内になるように制限範囲を設定する。これは、適正な燃焼状態が得られる空燃比から得られる範囲である。
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５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。
Figure 2009057873
 ここで、Qgas_limit ：空気過剰率下限値[l/sec]、Qmix_act：実混合気流量[l/sec]、λst：理論空燃比[l/sec]、λlim：空気過剰率（空気過剰率リミットマップから得られた値）である。
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。
このうように、ＰＩＤ演算により算出した燃料流量指令値に対してリミット処理を行うことにより、各種運転条件における燃料供給量の定量的制限が可能となり、制限設定実施者は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できる。
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。
上記したように、速度制御部５１にて、エンジン回転速度センサ３２にて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、必要に応じてリミット処理を行って最終的な燃料ガス流量指令値を算出し、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１６の燃料ガス流量を設定する。
次いで、空燃比制御部５２にて空燃比を制御するフローにつき説明する。
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。
Figure 2009057873
 ここで、LOAD：エンジン負荷率[%]、Gas：燃料ガス流量指令値[l/sec]、Gas _MAX：エンジン出力最大時に使用するガス流量[l/sec]、MAX_Sp：最大エンジン回転速度[min-1]、Speed：エンジン回転速度[min-1]である。
そして、予め設定されたエンジン負荷率とエンジン回転速度に対応した空燃比マップに基づいて、前記エンジン回転速度と前記算出したエンジン負荷率から適正空燃比を求め、該適正空燃比に対応した混合気流量指令値を算出する。
前記混合気流量指令値は、以下の式（３）により算出できる。
Figure 2009057873
 ここで、Qmix_ref：混合気流量指令値[l/sec]、Qgas_ref：燃料ガス流量指令値[l/sec]、λ：空気過剰率（空気過剰率マップから得られた値）、λst：理論空燃比である。
前記空燃比マップとしては、図６に示すように、例えばエンジン回転速度信号とエンジン負荷率に応じて適正空気過剰率が予め設定された空気過剰率マップを用いることができる。尚、図６では空気過剰率から空燃比を求めるマップとなっているが、空気過剰率の項目を空燃比として直接空燃比が求められるマップとしてもよい。前記空燃比マップ、及び上記したガス流量リミットマップ、空気過剰率リミットマップにおいて、図示されるマップ形式を用いる場合には、各入力信号が項目の数値間に存在するときは補完処理により対応する。
一方、エンジン回転速度信号とＭＡＰ信号とＭＡＴ信号に基づき実際の混合気流量（実混合気流量）を算出する。該所要混合気流量は以下の式（４）により算出できる。
Figure 2009057873
 ここで、Qmix：実混合気流量[l/sec]、Speed：エンジン回転速度[min-1]、V：総排気量[l]、Ve：容積効率、MAP：マニホールド圧力[kPa]、MAT：マニホールド温度[K]、Tn：絶対温度273.2[K]、Pn：絶対圧力101.3[kPa]である。
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。
また、本実施例の特徴的構成として、前記空燃比制御部５２にて、燃焼室７から排出される排気ガスの温度変動に基づいて排温補正処理を行う構成を備える。
ガスエンジンに用いられる燃料ガスは、天然ガス、プロパンガス、汚泥消化ガスなど多種にわたり、これらはガス中の各成分により熱量が異なるため、空燃比制御の不安定化につながる。従って、本実施例では排気温度に基づいた空燃比の補正を行うことによって空燃比を一定に保つようにしている。
図３に排温補正処理の制御フローを示す。該排温補正処理では、エンジン回転数とエンジン負荷率に対応した適性な目標排気温度が設定された目標排温マップを有している。そして、前記エンジン回転速度センサ３２から得られたエンジン回転速度信号、即ちエンジン回転数と、上記式（２）にて算出したエンジン負荷率から、前記目標排温マップに基づいて目標排気温度を取得する。この目標排気温度と、前記排温センサ３５にて検出された排気温度との偏差に基づいてＰＩＤ演算を行い、燃料性状の変化に換算する。この燃料性状の変化から、予め設定された理論空燃比補正係数変換マップに基づいて理論空燃比の補正係数を求め、この理論空燃比補正係数と理論空燃比とから理論空燃比補正値を算出する。ここで得られた理論空燃比補正値は、混合気流量指令値の算出に用いられる。
このように、実際の排気温度と目標排気温度との偏差に基づいて理論空燃比を補正した理論空燃比補正値を用いることにより、排ガス性状にみあった適正な空燃比制御が可能となる。
また、前記排温補正処理において、目標排温を水温、吸気温度、油温等で補正して適正化する適正化処理を行うことが好ましい。
これは、目標排温と同様に、回転数と負荷率からなるマップで、基準水温、基準油温、基準吸気温度を夫々決定し、この基準温度と実際の温度の差に、水温、油温、吸気温度夫々の重み係数を掛け合わせ、水温、油温、吸気温度の夫々に関して補正値を算出するものである。そしてこれらの補正値を目標排温に加減算することにより目標排温を適正化するようになっている。
このように、目標排温を適正化処理にて補正することにより、より実際の燃焼状態に即した目標排温を得ることが可能となる。
さらにまた、前記排温補正処理において、排温センサ３５にて検出される排気温度の平均化処理を行うことが好ましい。
これは、複数存在する気筒（シリンダ）において、各筒排温からの排気温度から失火したと思われるシリンダを切り離して平均排気温度を算出するものである。失火の検知方法としては、例えば各筒排温の平均値を求め、該平均値と検出された排気温度とを比較して夫々偏差を算出し、この偏差が予め設定した偏差のリミットマップより大きくなった場合に、該当する気筒が失火しているものと判定する方法が挙げられる。これは、排温センサが断線した場合にも適用できる。
このように、各気筒の排気温度のばらつきを監視することにより、特定の気筒の失火や断線などが発生した場合であっても、適正な排温補正処理を行うことが可能となる。
上記記載したごとく本実施例によれば、出力変化に対する応答性の向上及び出力制御の安定化が図れるとともに、精度良く空燃比制御を行うことが可能で、特に、負荷投入時や負荷遮断時等の過渡運転時における負荷応答性の向上が達成できる。また、速度制御部５１と空燃比制御部５２を一元化して連携制御するエンジン電子制御装置５０を備えた構成としたため、円滑で高性能な運転制御が可能となるとともに、高価な制御装置を複数設置する必要がなくなり、さらに高価な排ガスセンサを設置しなくてもよいことから大幅なコストダウンが可能となる。
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、速度制御部５１においてリミット処理を行うことにより、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、ガスエンジン１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。一方、混合気の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。
また、本実施例によれば、空燃比制御において実際の排気温度と目標排気温度の偏差に基づいて理論空燃比を補正する排温補正処理を行うようにしたため、燃料ガスの発熱量が変動する場合であっても適切な空燃比制御が可能となり、出力不足や始動不能等の不具合を回避できる。
さらに、排温補正処理において水温、油温、吸気温度等の他の入力信号に基づいて目標排温を適正化することにより、より実際の燃焼状態に即した目標排温を得ることが可能となる。
さらにまた、排温補正処理において各気筒の排気温度のばらつきを監視することにより、特定の気筒の失火や断線などが発生した場合であっても、適正な排温補正処理を行うことが可能となる。
本実施例に係るガスエンジンの統合制御方法及び装置は、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ことが可能であるため、常用・非常用発電用エンジンや建設機械用エンジン、船舶、鉄道等に搭載されるエンジン等のガスエンジンに幅広く適用できる。
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である。 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である。 本発明の実施例に係る排温補正処理を示すブロック線図である。 ガス流量リミットマップの一例を示す図である。 空気過剰率リミットマップの一例を示す図である。 空気過剰率マップの一例を示す図である。 従来のガスエンジンを示す全体構成図である。
符号の説明
１ ガスエンジン
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
３５ 排温センサ
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 (9)

  1. 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し、燃焼後の排気ガスを排気管から排気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、
    前記速度制御工程にて演算された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、
    前記速度制御工程にて、前記排気ガスより検出された実排気温度と、前記エンジン回転速度に基づき設定された目標排気温度との偏差に基づいて前記スロットルバルブの目標開度を補正する排温補正処理を行うことを備えたことを特徴とするガスエンジンの統合制御方法。
  2. 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。
  3. 前記排温補正処理にて、前記目標排気温度を、前記ガスエンジンからの他の温度に関する入力信号に基づいて適正化する適正化処理を行う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。
  4. 前記燃焼室を備えた気筒が複数存在する請求項１記載のガスエンジンの統合制御方法であって、前記排温補正処理にて、各気筒にて検出される排気温度の平均値を算出し、該平均値と前記実排気温度とを比較して各気筒における偏差を夫々算出し、該偏差が予め設定した偏差閾値を越える気筒の検出値を除いて排気温度の平均値を求める平均化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。
  5. 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、排気温度信号を検出する排気温度センサと、これらのセンサからの入力信号に基づいて制御を行う制御装置とを備えた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、
    前記速度制御部にて演算された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、
    前記速度制御部は、前記排気温度信号と、前記エンジン回転速度に基づき設定された目標排気温度との偏差に基づいて前記スロットルバルブの目標開度を補正する排温補正手段を有することを特徴とするガスエンジンの統合制御装置。
  6. 前記排温補正手段は、エンジン回転速度と負荷率に対して目標排気温度が設定された排気温度マップを有しており、前記エンジン回転速度信号と、該エンジン回転速度信号と前記燃料ガス流量指令値から算出されたエンジン負荷率に基づいて前記目標排気温度を求める構成であることを特徴とする請求項５記載の特徴とするガスエンジンの統合制御装置。
  7. 前記速度制御部は、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手段を備えたことを特徴とする請求項５記載の特徴とするガスエンジンの統合制御装置。
  8. 前記排温補正手段は、前記目標排気温度を、前記ガスエンジンからの他の温度に関する入力信号に基づいて適正化する適正化手段を備えたことを特徴とする請求項５記載の特徴とするガスエンジンの統合制御装置。
  9. 前記燃焼室を備えた気筒が複数存在する請求項５記載のガスエンジンの統合制御装置であって、前記排温補正手段は、各気筒にて検出される排気温度の平均値を算出し、該平均値と前記実排気温度とを比較して各気筒における偏差を夫々算出し、該偏差が予め設定した偏差閾値を越える気筒の検出値を除いて排気温度の平均値を求める平均化手段を備えたことを特徴とするガスエンジンの統合制御装置。
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