JP2010084680A - ガスエンジンの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】各気筒の排気温度をならして気筒間の負荷分担の平準化を図るとともに、他の制御との干渉をなるべく小さくする。
【解決手段】制御手段２１が、制御対象とする気筒のうち排気温度が最高のものを含むよう選択した第１所定数の高温側の気筒に対応する燃料供給手段の開弁期間を短くし、排気温度が最低のものを含むよう選択した第２所定数の低温側の気筒に対応する燃料供給手段の開弁期間を長くする負荷平準化制御を実行する構成とし、第１所定数と第２所定数の和を全気筒数未満として燃料供給量を変更させない気筒を一部存在させている。
【選択図】図５

Description

本発明は、天然ガスや都市ガス等のガス燃料を主燃料とするレシプロ型ガスエンジンの制御装置に関する。

例えば発電設備等に利用される多気筒ガスエンジンには、ガス燃料を噴射する燃料供給弁が各気筒に対応して設けられている。各燃料供給弁は適宜量のガス燃料を供給するよう駆動制御され、これにより所望する負荷でエンジンが動作するようになる。

このようなガスエンジンにおいては、燃料供給量の制御のみでなく点火タイミングの制御も行っており、点火タイミングによってはノッキングの出現を招くことがある。このような場合、ノッキングが出現した気筒に対しては、燃料の供給を停止したり減少させたりすることによって対応することがある。

また、気筒の負荷が排気温度に影響を及ぼすことに鑑み、各気筒の排気温度に応じて燃料供給弁を駆動制御するよう構成されたガスエンジンの制御装置が知られている（例えば特許文献１参照）。この制御装置は、各気筒の排気温度の平均値を算出し、排気温度が平均値よりも大きい高温側の気筒に対する燃料供給量を減少させ、排気温度が平均値よりも小さい低温側の気筒に対する燃料供給量を増加させる構成となっている。つまり、従来の制御装置では、排気温度に応じて全気筒に対する燃料供給量を一斉に変更する制御を実行するようになっている。
特許第４０９４３８０号公報

排気温度に応じて全気筒に対する燃料供給量が同時に変更されると、気筒間の特性のばらつきにより必ずしも所望のエンジン出力が実現できるとはいえず、エンジン出力制御との間で干渉が生じることがある。すなわち、所望の負荷でエンジンが運転するよう燃料供給量を決定しているのに、排気温度制御の結果、エンジン出力制御で決定した供給量どおりに燃料が供給されないことが生じうる。更に、失火やノッキングの出現に応じて燃料供給量や点火タイミングを変更する制御も提案されているが、これら制御と前述の排気温度に着目した制御を併用すると、これら制御が干渉し、各制御が安定しなくなるおそれがある。また、多気筒ガスエンジンでは、構造上の様々な要因から、同じ燃料供給量に基づく混合気を同じ点火タイミングで燃焼させても、各気筒が分担する負荷がばらつくことがあり、エンジンの保護管理上好ましくないばかりでなく高負荷域では過負荷となる気筒が現れることがありエンジン寿命に著しい影響を与えることがある。

そこで本発明は、気筒間での排気温度のばらつきを抑えて気筒間の負荷分担の平準化を図るとともに、他の制御との干渉をなるべく小さくすることを目的としている。

本発明は上述した事情を鑑みてなされたものであり、本発明に係るガスエンジンの制御装置は、複数気筒の各々の排気温度を検出する排気温度検出手段と、前記複数気筒の各々に対応して設けられる複数の燃料供給手段と、前記複数の燃料供給手段を駆動制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、制御対象とする気筒のうち排気温度が最大のものを含むように選択した第１所定数の高温側の気筒に対する燃料供給量を減少させ、排気温度が最小のものを含むように選択した第２所定数の低温側の気筒に対する燃料供給量を増加させる負荷平準化制御を実行する構成とし、前記第１所定数と前記第２所定数の和を全気筒数未満として燃料供給量を変更させない気筒を一部存在させたことを特徴としている。

このような構成とすることにより、燃料供給量が変更される気筒は、排気温度が最大のものを含む第１所定数の高温側の気筒と排気温度が最小のものを含む第２所定数の低温側の気筒とに限られ、燃料供給量を変更させない気筒を一部存在させている。このため、できる限り燃料供給量を変更させる気筒の数を減らしながらも各気筒間で排気温度をならすことができる。これにより、他の制御との干渉をできる限り小さくしつつ、各気筒が分担する負荷をならすことができるようになる。

前記制御手段は、前記負荷平準化制御において、制御対象とする気筒の各排気温度の平均値を算出し、前記第１所定数の前記高温側の気筒と前記第２所定数の前記低温側の気筒の各気筒に関し、前記平均値と排気温度との偏差に基づいて当該気筒に対する燃料供給量の変更量を決定する構成としてもよい。このような構成とすることにより、平均値に対する偏差の大きさに応じて燃料供給量が決まるため、燃料供給量を変更させる気筒の排気温度を効果的に平均値に近付けることができる。

前記制御手段は、前記負荷平準化制御において、制御対象とする気筒の各排気温度の平均値を算出し、前記第１所定数の前記高温側の気筒と前記第２所定数の前記低温側の気筒の各気筒に関し、前記平均値と排気温度との偏差が所定値未満のときには当該気筒に対する燃料供給量を変更させない構成としてもよい。このような構成とすることにより、平均値に対して排気温度が大きくずれている気筒のみに対して燃料給料量を変更させることとなり、他の制御との干渉を更に小さくすることができる。

前記第１所定数及び前記第２所定数をともに１としてもよい。このような構成とすることにより、排気温度が最大の気筒と最小の気筒のみに対して燃料供給量を変更させることとなり、他の制御との干渉を更に小さくすることができる。

前記制御手段は、前記負荷平準化制御において、所定期間ごとに制御対象とする気筒から前記第１所定数の前記高温側の気筒及び前記第２所定数の前記低温側の気筒を選択し、選択された気筒の燃料供給量を前記所定期間継続して変更させる構成としてもよい。このような構成とすることにより、排気温度を所望どおりに変更させるだけの期間が確保されるとともに、排気温度に基づく燃料供給量の変更が頻繁に行われるのを防止してガスエンジンの制御動作が安定する。また、燃料供給量の急変が防がれ、ガスエンジン１の挙動が不安定になるのを防止することができる。なお、ここでいう「期間」は、ガスエンジンの位相角の範囲や時間をいう。

前記制御手段は、失火が出現した気筒に対する燃料の供給を所定期間停止する燃料カット制御を実行し、前記燃料カット制御の制御対象とする気筒を前記負荷平準化制御の制御対象とする気筒から除外する構成としてもよい。また、前記制御手段は、ノッキングが出現した気筒に対する燃料供給量を所定期間減少させるノッキング回避制御を実行し、前記ノッキング回避制御の制御対象とする気筒を前記負荷平準化制御の制御対象とする気筒から除外する構成としてもよい。このような構成とすることにより、燃料カット制御やノッキング回避制御によって排気温度が低下している気筒が制御対象に含まれなくなり、失火やノッキングが出現していない気筒から第２所定数の低温側の気筒が選択される。従って、負荷平準化制御が燃料カット制御やノッキング回避制御によって乱され干渉するのを防ぐことができる。

以上に説明したように、本発明によれば、気筒間での排気温度のばらつきを抑えて気筒間での負荷分担を平準化するとともに、他の目的で実行されている制御との干渉を小さくすることができる。

以下、添付図面を参照しながら本発明に係る実施形態について説明する。

図１は本発明の実施形態に係るガスエンジンの制御装置の構成図である。図１に示すガスエンジン１は、天然ガスや都市ガス等のガス燃料を主燃料とするレシプロ型の多気筒４サイクルエンジンであり、例えば発電設備の原動機として利用される。ガスエンジン１の出力軸２には発電機５０が接続されており、ガスエンジン１の回転出力に基づいて発電機５０が交流電力を発電するようになっている。

ガスエンジン１の各気筒３には排気ポート４（図２参照）を介して排気マニホールド５が接続され、各排気ポート４からの排気ガスは排気マニホールド５で集合されている。排気マニホールド５からの排気通路にはターボチャージャ６が接続され、ターボチャージャ６からの高圧エアを給気ポート７（図２参照）に供給可能になっている。また、排気マニホールド５からの排気通路には給気圧を調整するための排気バイパス弁８が設けられている。

図２は図１に示すガスエンジン１の部分断面図である。図２には気筒の一つを代表して示すが、他の気筒についても同様の構成となっている。図２に示すように、気筒３にはピストン９が往復動可能に挿入され、気筒３のうちピストン９の上方が主燃焼室１０をなしている。主燃焼室１０には、給気弁１１を介在させて上記給気ポート７が接続され、排気弁１２を介在させて上記排気ポート４が接続されている。給気ポート７にはガス燃料を噴射する主燃料供給弁１４が設けられている。

また、主燃焼室１０には副燃焼室１５が隣接している。副燃焼室１５は、隔壁１６を介して主燃焼室１０と区画され、隔壁１６に形成された連通孔１７を介して主燃焼室１０と連通している。この副燃焼室１５にはガス燃料を噴射する副燃料供給弁１８と、混合気を点火するための点火プラグ１９とが設けられている。

このガスエンジン１によれば、給気行程において、主燃焼室１０には給気ポート７を介し、外部エア、ターボチャージャ６（図１参照）からの高圧エア、及び主燃料供給弁１４が噴射するガス燃料を含む混合気が供給され、副燃焼室１５には副燃料供給弁１８が噴射するガス燃料を含む混合気が供給される。圧縮行程において主燃焼室１０及び副燃焼室１５内の混合気が圧縮された後、点火プラグ１９が適宜のタイミングで動作して副燃焼室１５内の混合気が着火される。副燃焼室１５内で発生した火炎は連通孔１７を通じて主燃焼室１０内に伝播し、この火炎によって主燃焼室１０内の混合気が着火される。これによりピストン９が下動する（膨張行程）。排気行程において、主燃焼室１０内のガスは排気ポート４を介して外部に排出される。

ガスエンジン１は上記４行程を１サイクルとして動作し、この１サイクルの間にピストン９が２往復し、出力軸２（図１参照）が２回転し、給気弁１１及び排気弁１２を駆動する動弁系を構成するカム軸（図示せず）が１回転する。つまり、１サイクル動作する間におけるピストン位置、出力軸２の回転角（クランク角）、又はカム軸の回転角などをガスエンジン１の位相角として扱うことができる。

図１に戻り、本発明の実施形態に係るガスエンジン１の制御装置２０は、ガスエンジン１の動作を統括的に制御する主制御装置２１を備えている。主制御装置２１はＣＰＵ、メモリ及び入出力インターフェースを有し、メモリには後述するガバナ制御、燃料カット制御、ノッキング回避制御及び負荷平準化制御の各制御プログラムが記憶され、ＣＰＵによって各制御プログラムが実行される。

主制御装置２１は、電磁弁である主燃料供給弁１４及び副燃料供給弁１８に駆動信号を出力するガス弁制御装置２２に接続されている。主制御装置２１は、このガス弁制御装置２２に指令信号を出力して各燃料供給弁１４，１８の開弁期間を制御し、この開弁期間の制御により気筒３に対する燃料供給量が制御される。この燃料供給弁１４，１８の駆動制御は気筒３ごとに独立して行われる。なお、「開弁期間」とは、燃料供給弁１４，１８が励磁されて弁が開いたタイミングから、燃料供給弁１４，１８が消磁されて弁が閉じたタイミングまでの期間である。この開弁期間中に燃料供給弁１４，１８からガス燃料が噴射され、開弁期間が長いときほど気筒３に対する燃料供給量が増加する。また、主制御装置２１は、点火プラグ１９に駆動信号を出力する点火プラグドライバ２３に接続され、このドライバ２３に指令信号を出力して点火プラグ１９を駆動制御する。

制御装置２０は、燃料供給弁１４，１８の開弁期間や点火プラグ１９による混合気の点火タイミングを制御するため、ガスエンジン１の位相角を検知する位相角検知装置２４を備えており、主制御装置２１、ガス弁燃料装置２２及び点火プラグドライバ２３には位相角検知装置２４からの信号が入力される。位相角検知装置２４は電磁ピックアップ、近接スイッチ又はロータリーエンコーダによって構成してもよい。

制御装置２０は、ガスエンジン１の燃焼状態に応じて気筒３に対する燃料供給量を制御するため、ノッキング検知装置２５を備えている。このノッキング検知装置２５には、位相角検知装置２４と、気筒３の内圧を検知する筒内圧センサ２６とが接続されている。ノッキング検知装置２５は、ガスエンジン１の位相角と気筒３の内圧変動とに基づいて、１サイクルごとに、気筒３の燃焼状態が「通常」、「失火」、「小ノック」及び「大ノック」の４つの状態のうちいずれに属するのかを判定する。「大ノック」は、気筒３の内圧変動に基づいて、気筒に対する負担が比較的大きい所定強度以上のノッキングが出現している状態であることを示している。筒内圧センサ２６は気筒３に個別に設けられ、ノッキング検知装置２５は各気筒３の燃焼状態を個別に判定するようになっており、主制御装置２１にはノッキング検知装置２５による判定結果が入力される。

また、制御装置２０は、排気温度に応じて気筒３に対する燃料供給量を制御するため、排気温度センサ２７を備え、主制御装置２１には排気温度センサ２７からの検知信号が入力される。排気温度センサ２７は各排気ポート４に設けられ、主制御装置２１には各気筒３の排気温度が入力される。

なお、主制御装置２１には、その他、発電機５０の出力や給気センサ２８が検知する給気圧等が入力される。主制御装置２１は、発電機５０の出力に対して所定の給気圧となるよう排気バイパス弁の開度を調節する制御を行い、これにより混合気の空燃比が発電機５０の出力に応じた所定値に維持される。なお、ガス弁制御装置２２は、給気圧とガス燃料の圧力との差圧が所定値となるようにガス燃料の圧力を調整し、これにより主燃料供給弁１４は給気圧の大小に関わらず安定した開閉動作を行うようになる。

図３は主制御装置２１が実行する制御内容を説明するフローチャートである。図３に示すステップＳ１〜Ｓ６は実際には所定の微少時間（例えば１０ｍｓｅｃ）ごとに繰り返し演算処理されるが、ここでは説明の単純化のため、１サイクルごとに繰り返し演算処理されるものとして説明する。

図３に示すように、主制御装置２１は、所望する発電機出力に応じた負荷でガスエンジン１が運転されるように、各気筒３の燃料供給弁１４，１８の開弁期間を決定するガバナ制御（ステップＳ１）を実行する。

また、主制御装置２１は燃料カット制御（ステップＳ２）を実行する。この燃料カット制御Ｓ２の概要は、ノッキング制御装置２５によって「失火」の状態と判定された気筒に対し、複数サイクル経過する間における燃料供給弁１４，１８の開弁期間を０とし、これにより燃料の供給を停止するというものである。この制御を実行することにより、失火が出現した気筒から継続して生ガスが外に出るのを防ぐことができる。

また、主制御装置２１はノッキング回避制御（ステップＳ３）を実行する。このノッキング回避制御Ｓ３の概要は、ノッキング制御装置２５によって「大ノック」の状態と判定された気筒に対し、複数サイクル経過する間における燃料供給弁１４，１８の開弁期間をガバナ制御Ｓ１で決定された期間に対して短くし、これにより燃料供給量を減少させるというものである。この制御を実行することにより、大ノックが出現した気筒の混合気の空燃比がリーン側にシフトし、ノッキングの出現を抑制することができる。

そして所定サイクル数Ｎが経過したか否かを判定し（ステップＳ４）、所定サイクル数Ｎが経過していなければ、上記各制御Ｓ１〜Ｓ３の結果に従って各気筒の燃料供給弁１４，１８の開弁期間の指令値が算出され（ステップＳ６）、この指令値に基づいて各燃料供給弁１４，１８が駆動される。所定サイクル数Ｎが経過したと判定されたときには、主制御装置２１は負荷平準化制御（ステップＳ５）を実行し、ステップＳ６において、ガバナ制御Ｓ１、燃料カット制御Ｓ２、ノッキング回避制御Ｓ３、負荷平準化制御Ｓ５の結果に従って各気筒の燃料供給弁１４，１８の開弁期間の指令値が算出される。このように、負荷平準化制御Ｓ５は所定サイクル数Ｎが経過するごとに実行されるようになっている。これにより、排気温度を所望どおりに変更させるだけの期間を確保することができ、また、排気温度に基づく燃料供給量の変更が頻繁に行われるのを防止してガスエンジン１の挙動を安定させることができる。

なお、図３では、ガバナ制御Ｓ１、燃料カット制御Ｓ２及びノッキング回避制御Ｓ３が１サイクルごとに実行されるように示されているが、これら各制御Ｓ１〜Ｓ３は１サイクルを超える所定期間が経過するごとに実行されるようにしてもよい。このとき、燃料カット制御Ｓ２の内容が、所定期間が経過する間における失火の出現サイクル数が所定閾値を超えた場合に、その気筒を制御対象とするように変更されてもよい。ここでいう「所定期間」はステップＳ４の判定処理で用いられる所定サイクル数Ｎと同じであっても異なっていてもよい。また、ノッキング回避制御Ｓ３に関してもその内容を同様にして変更可能である。

図４は図３に示す負荷平準化制御Ｓ５の内容を説明するフローチャートである。図５は図４に示す負荷平準化制御Ｓ５の内容に従って主制御装置２１の構成を機能的に示すブロック図である。この負荷平準化制御Ｓ５は、各気筒の排気温度Ｔ_#kをならして各気筒が分担する負荷をならすことを目的としており、その概要は、制御対象とする気筒のうち排気温度Ｔ_#kが大きい高温側の気筒の燃料供給弁１４，１８の開弁期間を短くして燃料供給量を減少させ、排気温度Ｔ_#kが小さい低温側の気筒の燃料供給弁１４，１８の開弁期間を長くして燃料供給量を増加させる、というものである。また、他の制御との干渉を避けるために、これら燃料供給量が変更される高温側の気筒及び低温側の気筒を全気筒のうちの一部とし、燃料供給量を変更させない気筒を一部存在させている。

この制御内容によれば、図５に示すように、主制御装置２１はその機能ブロックとして、ガバナ制御Ｓ１を実行するガバナ制御部３１、燃料カット制御Ｓ２を実行する燃料カット制御部３２、ノッキング回避制御Ｓ３を実行するノッキング回避制御部３３、負荷平準化制御Ｓ５を実行する負荷平準化制御部３４、及び各気筒３の燃料供給弁１４，１８の開弁期間の指令値ＩＮＪ_#kを算出する指令値算出部３５を有している。また、負荷平準化制御部３４はその機能ブロックとして、制御対象選択部４１、平均値算出部４２、高温側／低温側気筒選択部４３、及びオフセット量算出部４４を有している。

ここで、符号Ｔ_#kは第ｋ気筒（＃ｋ）の排気温度を示し、符号ＩＮＪ_#kは第ｋ気筒（＃ｋ）の燃料供給弁１４，１８の開弁期間の指令値を示している（ｋは１〜ｎの自然数，ｎはガスエンジン１の全気筒数）。

以下、図４及び図５に基づいて負荷平準化制御Ｓ５の内容について具体的に説明する。まず、主制御装置２１の制御対象選択部４１は、燃料カット制御部３２において燃料カット制御Ｓ２の制御対象とされている気筒と、ノッキング回避制御部３３においてノッキング回避制御Ｓ３の制御対象とされている気筒とを、負荷平準化制御Ｓ５の制御対象とする気筒から除外する（ステップＳ５１）。図５では、例えば第３気筒（＃３）が上記制御Ｓ２，Ｓ３の何れかの制御対象であってこの第３気筒が負荷平準化制御Ｓ５の制御対象とする気筒から除外された場合を示しており、負荷平準化制御Ｓ５のその後の処理においてこの第３気筒の排気温度Ｔ_#3が考慮されない旨を模式的に示している。

燃料カット制御Ｓ２及びノッキング回避制御Ｓ３の制御対象となった気筒は、燃料供給弁１４，１８の開弁期間がガバナ制御部３１において決定された期間よりも短くなることから、その排気温度が通常時と比べて小さくなりがちである。従って、負荷平準化制御Ｓ５の実行に際し、その制御対象とする気筒から排気温度が大きく外れがちな気筒を予め除外しておくことにより、負荷平準化制御Ｓ５が、燃料カット制御Ｓ２及びノッキング回避制御Ｓ３に干渉されるのを避けることができる。

制御対象とする気筒が選択されると、主制御装置２１の平均値算出部４２は、制御対象とした全ての気筒の排気温度の平均値Ｔ_AVEを算出する（ステップＳ５２）。つまり、図５に示す例では、この平均値Ｔ_AVEの算出に際して、制御対象とする気筒から除外された第３気筒（＃３）の排気温度Ｔ_#3が用いられていない。

また、主制御装置２１の高温側／低温側気筒選択部４３は、制御対象とする気筒の排気温度から最大のもの（符号Ｔ_MAX1を付記する）を抽出し、この抽出された排気温度に対応する気筒を高温側の気筒として選択する（ステップＳ５３）。同時に、制御対象とする気筒の排気温度から最小のもの（符号Ｔ_MIN1を付記する）を抽出し、この抽出された排気温度に対応する気筒を低温側の気筒として選択する（ステップＳ５３）。図５では、例えば第１気筒（＃１）の排気温度Ｔ_#1が最大値であって第１気筒が高温側の気筒として選択され、例えば第ｎ−１気筒（＃ｎ−１）の排気温度Ｔ_#n-1が最小値であって第ｎ−１気筒が低温側の気筒として選択された場合を模式的に示している。

次いで、主制御装置２１のオフセット量算出部４４は、制御対象とした各気筒について、高温側／低温側の気筒として選択されなかった気筒のオフセット量ΔＩＮＪ_#kを算出する（ステップＳ５４）。このオフセット量ΔＩＮＪ_#kは、燃料供給弁１４，１８の開弁期間の指令値ＩＮＪ_#kを、ガバナ制御部３１が決定する基準値ＩＮＪ_GVNに対して変更するための量である。後述する処理（ステップＳ５５〜Ｓ６０）からもわかるとおり、オフセット量ΔＩＮＪ_#kは、高温側／低温側の気筒として選択されるとその値が適宜変更補正される。いったん変更補正されたオフセット量ΔＩＮＪ_#kは、所定サイクルＮが経過して再び負荷平準化制御Ｓ５が実行されたときにおいても、指令値ＩＮＪ_#kを決定するにあたって継続して用いられる。すなわち、ステップＳ５４においては、高温側／低温側の気筒として選択されなかった気筒に関し、そのオフセット量ΔＩＮＪ_#kが、前回実行された負荷平準化制御Ｓ５において求めたオフセット量ΔＩＮＪ_#k′（以下、単に「前回オフセット量ΔＩＮＪ_#k′」と呼ぶ）と同じ値となる（ΔＩＮＪ_#k＝ΔＩＮＪ_#k′）。

次いで、主制御装置２１のオフセット量算出部４４は、高温側の気筒の排気温度Ｔ_MAX1と平均値Ｔ_AVEとの偏差の絶対値が、所定の閾値Ｔ_{SET_MAX}を超えているか否かを判定する（ステップＳ５５）。この偏差の絶対値が閾値Ｔ_{SET_MAX}を超えている場合には、この絶対値に所定のゲインを積算することによって燃料供給弁１４，１８の開弁期間のオフセット量ΔＩＮＪ_#kを短くするよう変更補正するための変更量ΔＩＮＪ_MAX1が算出され（ステップＳ５６）、次のステップＳ５７において、高温側の気筒の燃料供給弁１４，１８の開弁期間のオフセット量ΔＩＮＪ_#kが、前回オフセット量ΔＩＮＪ_#k′からこの変更量ΔＩＮＪ_MAX1を減算することにより求められる（ΔＩＮＪ_#k＝ΔＩＮＪ_#k′−ΔＩＮＪ_MAX1）。他方、偏差の絶対値が閾値Ｔ_{SET_MAX}以下である場合には、ステップＳ６１に進み、高温側の気筒として選択された気筒であっても、その燃料供給弁１４，１８の開弁期間のオフセット量ΔＩＮＪ_#kは前回オフセット量ΔＩＮＪ_#k′と同じ値に設定される（ΔＩＮＪ_#k＝ΔＩＮＪ_#k′）。

また、主制御装置２１のオフセット量算出部４４は、平均値Ｔ_AVEと低温側の気筒の排気温度Ｔ_MIN1との偏差の絶対値が、所定の閾値Ｔ_{SET_MIN}を超えているか否かを判定する（ステップＳ５８）。この偏差の絶対値が閾値Ｔ_{SET_MIN}を超えている場合には、この絶対値に所定のゲインを積算することによって燃料供給弁１４，１８の開弁期間のオフセット量ΔＩＮＪ_#kを長くするよう変更補正するための変更量ΔＩＮＪ_MIN1が算出され（ステップＳ５９）、次のステップＳ６０において、低温側の気筒の燃料供給弁１４，１８の開弁期間の変更量ΔＩＮＪ_#kが、前回オフセット量ΔＩＮＪ_#k′からこの変更量ΔＩＮＪ_MIN1を加算することによって求められ（ΔＩＮＪ_#k＝ΔＩＮＪ_#k′＋ΔＩＮＪ_MIN1）、負荷平準化制御Ｓ５が終了する。他方、偏差の絶対値が閾値Ｔ_{SET_MIN}以下である場合には、ステップＳ６２に進み、低温側の気筒として選択された気筒であっても、その燃料供給弁１４，１８の開弁期間のオフセット量ΔＩＧＮ_#kは前回オフセット量ΔＩＮＪ_#k′と同じ値に設定され（ΔＩＮＪ_#k＝ΔＩＮＪ_#k′）、負荷平準化制御Ｓ５が終了する。

なお、ステップＳ５２とステップＳ５３を処理する順序は、図４に示されたものに限られず、その逆であってもよい。ステップＳ５４と、ステップ群Ｓ５５〜Ｓ５７と、ステップ群Ｓ５８〜Ｓ６０との関係についても同様である。

図３及び図５を参照するが、負荷平準化制御Ｓ５が終了すると、主制御装置２１の指令値算出部３５において、ガバナ制御部３１が決定する基準値ＩＮＪ_GVNと、上記オフセット量ΔＩＮＪ_#kと、燃料カット制御部３２及びノッキング回避制御部３３の制御結果とに基づいて、各気筒３における燃料供給弁１４，１８の開弁期間の指令値ＩＮＪ_#kが算出される（ステップＳ６）。

負荷平準化制御Ｓ５の制御対象とする気筒に関しては、この指令値ＩＮＪ_#kは、開弁期間の基準値ＩＮＪ_GVNに対して上記オフセット量ΔＩＮＪ_#kを加算することにより算出される（ＩＮＪ_#k＝ＩＮＪ_GVN＋ΔＩＮＪ_#k）。なお、ステップＳ５７，Ｓ６０に示すとおり、このオフセット量ΔＩＮＪ_#kは正の値も負の値もとりうる。

高温側の気筒においては、今回実行された負荷平準化制御Ｓ５において燃料供給量が減少されるよう変更補正されるため排気温度が下降し、低温側の気筒においては、燃料供給量が増加されるよう変更補正されるため排気温度が上昇する。このため、各気筒３の排気温度がならされ、各気筒３が分担する負荷がならされることとなる。なお、高温側／低温側の気筒の燃料供給量の変更量ΔＩＮＪ_MAX1，ΔＩＮＪ_MIN1はそれぞれ、当該気筒の排気温度と平均値Ｔ_AVEとの偏差に基づいて決定されている。従って、変更量ΔＩＮＪ_MAX1，ΔＩＮＪ_MIN1の算出に用いる上記ゲインを予め適切に設定しておくことにより、高温側／低温側の気筒の排気温度を平均値Ｔ_AVEに効果的に近づけることができる。

但し、高温側／低温側の気筒として選択された気筒であっても、その排気温度と平均値との偏差が閾値以下である場合には、そのオフセット量ΔＩＮＪ_#kが前回オフセット量ΔＩＮＪ_#k′に対して変更されることがなく、その結果、指令値ＩＮＪ_#kについても、前回負荷平準化制御Ｓ５が実行されてから今回負荷平準化制御Ｓ５が実行されるまでの間に設定されていた指令値に対して変更されることがない。このように、高温側の気筒及び低温側の気筒の排気温度Ｔ_MAX1，Ｔ_MIN1が平均値Ｔ_AVEに対して大きく外れておらず、排気温度のばらつきが許容範囲内にあるような場合には、排気温度に応じた燃料供給量の変更補正を行わないようにしている。従って、負荷平準化制御Ｓ５とガバナ制御Ｓ１との干渉が小さくなる。

また、高温側の気筒及び低温側の気筒として選択されなかった気筒においては、オフセット量ΔＩＮＪ_#kが前回決定されたオフセット量ΔＩＮＪ_#k′に対して変更されないため、その指令値ＩＮＪ_#k（図５の例示においてはＩＮＪ_#2，ＩＮＪ_#4，ＩＮＪ_#n）についても、前回負荷平準化制御Ｓ５が実行されてから今回の負荷平準化制御Ｓ５が実行されるまでの間に設定されていた指令値に対して変更されることがない。

なお、燃料カット制御Ｓ２又はノッキング回避制御Ｓ３の制御対象とする気筒であって、負荷平準化制御Ｓ５の制御対象から除外された気筒に関しては、該制御Ｓ２，Ｓ３で決定された変更量とガバナ制御部３１によって決定された基準値ＩＮＪ_GVNとに応じて指令値ＩＮＪ_#k（図５の例示においてはＩＮＪ_#3）が決定される。

このようにして決定された指令値ＩＮＪ_#kに従って主制御装置２１はガス弁制御装置２２に制御信号を出力し、各気筒３の燃料供給弁１４，１８の開弁期間が指令値ＩＮＪ_#kに応じたものとなる。いったん負荷平準化制御Ｓ５が実行されると、所定サイクル数Ｎが経過して次回の負荷平準化制御Ｓ５が実行されるまでの間継続して、この指令値に応じた各燃料供給弁１４、１８の駆動制御が行われる。

また、いったん負荷平準化制御Ｓ５が実行されると、その後所定サイクル数Ｎが経過した後に再び図４に示すフローに沿って負荷平準化制御Ｓ５が実行される。これにより、高温側／低温側の気筒が更新され、開弁期間の指令値ＩＮＪ_#kが更新されることとなる。

そして、このように高温側の気筒及び低温側の気筒として選択されていったん燃料供給量を変更補正する対象となると、この変更量ΔＩＮＪ_MAX1，ΔＩＮＪ_MIN1が、次回以降に実行される負荷平準化制御Ｓ５において決定されるオフセット量に含まれたままとなる。ガスエンジン１を長期間継続して運転してこのような負荷平準化制御Ｓ５を繰り返し何度も行うことにより、全気筒の排気温度が平準化されていき、気筒間での分担負荷の平準化が図られる。

このように本制御装置２０においては、図４のステップＳ５３及び図５の機能ブロック４３が示すとおり、所定サイクルＮ毎に排気温度に応じて燃料供給量を増加させる気筒数と、燃料供給量を減少させる気筒数とがともに１となっている。このように、排気温度が平均値に対して正側と負側とにそれぞれ最も外れた気筒のみが燃料供給量を変更補正する対象となっている。従って、気筒間で排気温度がならされて各気筒が分担する負荷がならされるという作用と、負荷平準化制御Ｓ５とガバナ制御Ｓ１との干渉をなるべく小さくするという作用とを両立させることができる。

以上、本発明に係るガスエンジン１の制御装置２０の実施形態を説明したが、上述した構成は本発明の範囲を逸脱しない限り適宜変更可能である。

例えば、上記実施形態では、燃料供給量を減少させる気筒となる高温側の気筒の数と、燃料供給量を増加させる気筒となる低温側の気筒の数とがそれぞれ１に設定されているが、高温側の気筒及び低温側の気筒の数を変更しても上記２つの作用を両立させることができる。制御装置２０は排気温度に応じて全気筒に対する燃料供給量が変更されるのを規制する構成となっており、且つ、燃料供給量を変更する気筒として排気温度が平均値に対して大きく外れている気筒を必ず含むように選択する構成となっていればよい。

つまり、高温側の気筒として選択される気筒の数と低温側の気筒として選択される気筒の数とが、これらの和が少なくとも全気筒数未満となるよう予め設定されていればよく、また、排気温度が最大のものを含む幾つかの気筒、より好ましくは最大のものから順に高温である幾つかの気筒が高温側の気筒として選択され、排気温度が最小のものを含む幾つかの気筒、より好ましくは最小のものから順に低温である幾つかの気筒が低温側の気筒として選択される構成であればよい。このようにした場合には、上記２つの作用が両立されうる。なお、この燃料供給量を変更する気筒が少ないほど負荷平準化制御Ｓ５とガバナ制御Ｓ１との干渉が小さくなることから、上記実施形態に係る構成はこの干渉を小さくする作用を最大限に発揮するものとなっている。

また、負荷平準化制御Ｓ５において、所定サイクル数Ｎが経過した直後のサイクルにおいて検知された排気温度Ｔ_#kを用いることによって、高温側／低温側の気筒の選択や平均値Ｔ_AVEの算出を行うとしているが、各気筒に関し、所定サイクル数Ｎが経過する間に検知された各サイクルの排気温度Ｔ_#kを平均し、この平均された排気温度を用いてその後の処理を行ってもよい。これにより、排気温度を取得したあるサイクルのみにおいて排気温度が偶発的に高温又は低温となった気筒があったとしても、この気筒が高温側／低温側の気筒として選択されるのを防ぐことができ、負荷平準化制御Ｓ５を安定して実行することができるようになる。

排気温度に応じて主燃料供給弁１４と副燃料供給弁１８の両方の開弁期間が変更される場合について説明したが、負荷平準化制御Ｓ５により開弁期間を変更する燃料供給弁は、主燃料供給弁１４と副燃料供給弁１８のうちのいずれか一方であってもよい。

ガスエンジン１の混合気の着火方式として、副燃焼室１５内の混合気を点火プラグ１９により着火する、いわゆる副燃焼室・火花点火方式を採用しているが、その他の方式を採用してもよい。例えば、高圧ガス燃料を噴射するパイロット燃料噴射弁を備え、燃焼室内の圧縮混合気に対してパイロット燃料噴射弁により高圧ガス燃料を噴射することによって混合気を着火する、いわゆるパイロット燃料噴射方式を採用してもよい。

本ガスエンジン１の用途は発電設備の原動機に限られず、その他の設備や装置の原動機としても適用可能である。

このように本発明は、気筒間での排気温度のばらつきを抑えて気筒間の負荷分担の平準化が図られるとともに、他の目的で実行されている制御との干渉を小さくすることができるという優れた作用効果を奏し、特に発電設備の原動機として利用される多気筒ガスエンジンに好適に適用される。

本発明の実施形態に係るガスエンジンの制御装置の構成を示す構成図である。 図１に示すガスエンジンの部分断面図である。 図１に示す主制御装置が実行する制御内容を説明するフローチャートである。 図３に示す負荷平準化制御の制御内容を説明するフローチャートである。 図４に示す負荷平準化制御の制御内容に従って主制御装置の構成を機能的に示すブロック図である。

符号の説明

１ ガスエンジン
３ 気筒
１４ 主燃料供給弁（燃料供給手段）
１８ 副燃料供給弁（燃料供給手段）
２０ 制御装置
２１ 主制御装置（制御手段）
２２ ガス弁制御装置（制御手段）
２４ 位相角検知装置（位相角検知手段）
２７ 排気温度センサ（排気温度検知手段）
３１ ガバナ制御部
３２ 燃料カット制御部
３３ ノッキング回避制御部
３４ 負荷平準化制御部
３５ 指令値算出部
４１ 制御対象選択部
４２ 平均値算出部
４３ 高温側／低温側気筒選択部
４４ 変更量算出部
Ｔ_#k 第ｋ気筒の排気温度
Ｔ_AVE 平均値
ΔＩＮＪ_MAX1，ΔＩＮＪ_MIN1 変更量
ΔＩＮＪ_#k 第ｋ気筒のオフセット量
ＩＮＪ_GVN 基準値
ＩＮＪ_#k 第ｋ気筒の指令値
Ｓ１ ガバナ制御
Ｓ２ 燃料カット制御
Ｓ３ ノッキング回避制御
Ｓ５ 負荷平準化制御

Claims (7)

1. ガスエンジンの複数気筒の各々の排気温度を検出する排気温度検出手段と、
   前記複数気筒の各々に対応して設けられる燃料供給手段と、
   前記燃料供給手段を駆動制御する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、制御対象とする気筒のうち排気温度が最大のものを含むように選択した第１所定数の高温側の気筒に対する燃料供給量を減少させ、排気温度が最小のものを含むように選択した第２所定数の低温側の気筒に対する燃料供給量を増加させるよう負荷平準化制御を実行する構成とし、
   前記第１所定数と前記第２所定数の和を全気筒数未満として、燃料供給量を変更させない気筒を一部存在させたことを特徴とするガスエンジンの制御装置。
2. 前記制御手段は、前記負荷平準化制御において、
   制御対象とする気筒の各排気温度の平均値を算出し、
   前記第１所定数の前記高温側の気筒と前記第２所定数の前記低温側の気筒の各気筒に関し、前記平均値と、当該高温側の気筒ないし低温側の気筒の排気温度との偏差に基づいて当該気筒に対する燃料供給量の変更量を決定する構成としたことを特徴とする請求項１に記載のガスエンジンの制御装置。
3. 前記制御手段は、前記負荷平準化制御において、
   制御対象とする気筒の各排気温度の平均値を算出し、
   前記第１所定数の前記高温側の気筒と前記第２所定数の前記低温側の気筒の各気筒に関し、前記平均値と、当該高温側の気筒ないし低温側の気筒の排気温度との偏差が所定値未満のときには当該気筒に対する燃料供給量を変更しない構成としたことを特徴とする請求項１または２に記載のガスエンジンの制御装置。
4. 前記第１所定数及び前記第２所定数がともに１としたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のガスエンジンの制御装置。
5. 前記制御手段は、前記負荷平準化制御において、
   所定期間ごとに制御対象とする気筒から前記第１所定数の前記高温側の気筒及び前記第２所定数の前記低温側の気筒を選択し、選択された気筒に対する燃料供給量を前記所定期間継続して変更する構成としたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のガスエンジンの制御装置。
6. 前記制御手段は、失火が出現した気筒に対する燃料の供給を所定期間停止する燃料カット制御を実行し、
   前記燃料カット制御の制御対象とする気筒を前記負荷平準化制御の制御対象とする気筒から除外する構成としたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のガスエンジンの制御装置。
7. 前記制御手段は、ノッキングが出現した気筒に対する燃料供給量を所定期間減少させるノッキング回避制御を実行し、
   前記ノッキング回避制御の制御対象とする気筒を前記負荷平準化制御の制御対象とする気筒から除外する構成としたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のガスエンジンの制御装置。

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