JP2010174756A - ガスエンジンにおける点火プラグの監視システム - Google Patents

Abstract

【課題】点火プラグの損傷、失火などの異常状態の発生を予測し得るガスエンジンにおける点火プラグの監視システムを提供する。
【解決手段】点火プラグ２に電気を供給する電気配線４途中に設けられた電流検出器11と、この電流検出器にて検出された電流値を示すアナログの波形信号を増幅する増幅器12と、この増幅器で増幅された波形信号をデジタル変換するＡ／Ｄ変換器13と、このＡ／Ｄ変換器で得られた波形信号を入力して点火プラグによる点火状態を判断する点火状態判断部14とを具備し、この点火状態判断部を、Ａ／Ｄ変換器で得られた波形信号のピーク値と予め設定された点火状態とみなせる点火みなし範囲とを比較する比較部と、この比較部で得られた比較結果を入力して失火しているか否かを判断する判断部とから構成したもの。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば発電設備における発電機を駆動するガスエンジンにおける点火プラグの監視システムに関するものである。

近年、液化石油ガスなどの燃料ガスを燃料とするガスエンジンが多く用いられており、例えば発電設備における発電機の駆動に用いられている。
このガスエンジンは、ガソリンエンジンに比べて、気化器などを必要とせず、また始動が容易であるなどの利点があるとともに、ガソリンエンジンと同様に、点火プラグにより燃料ガスの燃焼が行われるもので、この点火プラグもガソリンエンジンのものと同様の構造を有している（例えば、特許文献１参照）。

特開昭６０−１４７８１号公報

特許文献１に示されるように、通常の点火プラグは、中心電極と接地電極とを有するとともに、これら両電極間に高電圧の電気を印加することにより、放電を行わせ、燃料に点火して爆発を起こさせるものであった。

ところで、点火プラグは、経年変化により電極が摩耗して両電極間の隙間、すなわちギャップが拡がり、点火しにくくなって最後には失火に至り、ガスエンジンにて発電機を駆動しているような場合、発電電力が低下してしまうという問題が生じる。

さらに、点火プラグが損傷するとエンジン自体にも悪影響を与えることになり早急の対策が余儀なくされるため、作業員にとって、緊急点検などの負担が発生するという問題もある。

そこで、本発明は、点火プラグの損傷、失火などの異常状態を迅速に且つ正確に検出し得るガスエンジンにおける点火プラグの監視システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の請求項１に係るガスエンジンにおける点火プラグの監視システムは、ガスエンジンの各シリンダ室に設けられた点火プラグの状態を監視する監視システムであって、
点火プラグに電気を供給する電気配線途中に設けられた電流検出器と、この電流検出器にて検出された電流値を示すアナログの波形信号を増幅する増幅器と、この増幅器で増幅された波形信号をデジタル変換するＡ／Ｄ変換器と、このＡ／Ｄ変換器で得られた波形信号を入力して点火プラグによる点火状態を判断する点火状態判断部とを具備し、
上記点火状態判断部を、
Ａ／Ｄ変換器で得られた波形信号のピーク値と予め設定された点火状態とみなせる点火みなし範囲とを比較する比較部と、この比較部で得られた比較結果を入力して失火しているか否かを判断する判断部とから構成したものである。

また、請求項２に係るガスエンジンにおける点火プラグの監視システムは、請求項１に記載の監視システムにおける判断部において、波形信号のピーク値が点火みなし範囲外である場合には、失火していると判断するようにしたものである。

また、請求項３に係るガスエンジンにおける点火プラグの監視システムは、請求項１に記載の監視システムにおける判断部において、波形信号のピーク値が点火みなし範囲の下限値未満である場合には、点火プラグの隙間が狭くなっていると判断するとともに、波形信号のピーク値が点火みなし範囲の上限値を超えている場合には、点火プラグの隙間が拡がっていると判断するようにしたものである。

また、請求項４に係るガスエンジンにおける点火プラグの監視システムは、請求項１乃至３のいずれかに記載の監視システムにおける点火状態判断部を、ガスエンジン側に配置したものである。

さらに、請求項５に係るガスエンジンにおける点火プラグの監視システムは、請求項１乃至３のいずれかに記載の監視システムにおける点火状態判断部を、ガスエンジンから離れた場所に配置された監視センター側に配置したものである。

上記の各構成によると、点火プラグに流れる電流値を検出するとともにその波形信号のピーク値が、点火みなし範囲内に入るか否かに基づき、点火プラグの点火状態、つまり点火しているか失火しているかを判断するようにしたので、失火状態を迅速に且つ正確に検出することができる。

しかも、電流値を表わす波形信号のピーク値が点火みなし範囲外である場合には、点火プラグが失火していると判断し、波形信号のピーク値が点火みなし範囲の上限値を超えている場合には、点火プラグの電極部が摩耗して電極間の距離が拡がっていると判断し、さらに波形信号のピーク値が点火みなし範囲の下限値未満である場合には、電極間の距離が小さくなっていること、つまり、点火プラグの接地極側の白金チップの割れや剥離が発生していると判断するようにしたので、点火プラグの監視、つまりガスエンジンの監視を迅速に且つ正確に行うことができ、したがって作業員による緊急点検などの負荷の軽減化を図ることができる。

本発明の実施の形態に係るガスエンジンにおける点火プラグの監視システムの概略構成を示すブロック図である。 同監視システムにおける点火状態判断部の概略構成を示すブロック図である。 同監視システムにおける点火プラグの電流値を示す波形信号図である。 同監視システムにおける点火プラグの電流値を示す波形信号図である。

以下、本発明の実施の形態に係るガスエンジンにおける点火プラグの監視システムを図面に基づき説明する。
まず、ガスエンジンの構成を簡単に説明する。

このガスエンジンは、例えば液化石油ガスなどの燃料ガスを燃料とするもので、概略的には、通常のガソリンエンジンから気化器を外した構成にされており、ガスエンジンのエンジン本体には、複数のシリンダ室が形成されるとともに、これら各シリンダ室内にはピストンおよびピストンロッドが配置されている。

エンジン本体の上部にはシリンダヘッドが配置されるとともに、このシリンダヘッドの各シリンダ室（主燃焼室でもある）に対応する箇所には、点火プラグが配置された予燃焼室が形成されている。勿論、シリンダヘッド側には、シリンダ室に燃焼空気とともに燃料ガスを供給する給気通路および燃焼排ガスを排出する排気通路が設けられている。

なお、本実施の形態で説明するガスエンジンは、例えば１列９個のシリンダが２列に設けられたもので、合計１８個（２列×９個）のシリンダ、つまり１８個の点火プラグが設けられているものとして説明する。また、点火プラグの点火順序は、各列で決められているとともに、一方のシリンダ列（Ａ）に対して他方のシリンダ列（Ｂ）の点火時期（点火タイミング）についても、所定の角度でもってずらされている。したがって、１８個のうち、基準のシリンダを決めておけば、当該基準のシリンダの点火時期が分かれば、他のシリンダの点火時期を特定することができる。

次に、上記予燃焼室に配置された点火プラグの点火状態を監視するための構成について説明する。
図１に示すように、エンジン本体のシリンダヘッド１に設けられた予燃焼室の上壁部には点火プラグ２が設けられており、またこれら各点火プラグ２には、当然ながら、燃料ガスを点火するために、高電圧の電気を順番に供給するための点火装置３が電気配線４を介して接続されている。なお、点火装置３には、点火コイル、ディストリビューターなどが設けられている。

そして、このガスエンジンには、点火プラグ２に摩耗、損傷などの異常が発生しているか否かを監視するための監視システムが具備されている。このガスエンジンは、発電設備における発電機を駆動するためのものであり、広い意味で言えば、発電設備におけるガスエンジンの監視システムということもできる。

この監視システムは、点火装置３から各点火プラグ２に電気を供給するための各電気配線４途中にそれぞれ設けられた複数個（ここでは１８個）の電流検出器（例えば、非接触式のもの、つまりクランプ式のものが用いられる）１１と、これら各電流検出器１１にて検出されたアナログの電流値を示す信号（検出信号）、具体的には電圧波形信号（以下、単に、波形信号という）を入力して増幅する複数個（同じく１８個）の増幅器１２と、これら各増幅器１２で増幅された波形信号を入力してアナログ信号からデジタル信号に変換するための複数個（同じく１８個）のＡ／Ｄ変換器１３と、これら各Ａ／Ｄ変換器１３で変換されたデジタル信号の波形信号を入力するとともにこれら各波形信号のピーク値（最大値）に基づき点火プラグ２における点火状態を判断する点火状態判断部１４と、この点火状態判断部１４にて判断された判断結果をインターネットなどの通信回線１５を介して取得し（伝送し）発電設備の監視を行うための監視センター（例えば、遠隔地に設けられている）１６とから構成されている。

上記Ａ／Ｄ変換器１３では、増幅器１２から出力される５０ｋＨｚ程度の信号が例えば１ＭＨｚのサンプリング周波数でもってデジタル化（標本化および量子化）される。なお、各点火プラグ２における点火の基本周期が４０ｋＨｚであり、波形を正確にサンプリングしようとすると、その２倍の周期（８０ｋＨｚ）の１０倍程度の周期（８００ｋＨｚ）を必要とし、したがってサンプリング周波数は１ＭＨｚにされている。

このように、５０ｋＨｚ程度の波形信号を１ＭＨｚ程度の波形信号に変換することにより、点火位置（点火のタイミング位置）を正確に検出することができる。例えば、５０ｋＨｚを主成分とする波形情報を正確にデジタル化し且つ細かい時間差の検出を可能にするためには、その主周波数成分の１０〜１５倍程度の周期が必要となる。なお、１５倍以上の周期にすると、必要な波形を示すにはデータが長くなってメモリ容量を多く必要とするとともに、データ通信にも時間がかかってしまう。逆に、１０倍以下の周期にすると、波形を正確にサンプリングしにくくなり、点火位置を正確に検出することができなくなる。

ここで、増幅器１２で得られた信号の波形をグラフに示すと、図３のようになる。図３（ａ）は他方のシリンダ列（Ｂ）の１番目のシリンダに設けられた点火プラグの場合を示し、図３（ｂ）は同シリンダ列（Ｂ）の５番目のシリンダに設けられた点火プラグの場合を示している。

なお、各点火プラグ２の電流値を表わす波形信号を点火状態判断部１４に個々に入力されるが、点火状態判断部１４に入力される前または入力された後で、これらの波形信号は例えば加算器（図示せず）にて加算されて一つの波形信号に纏められる。この様子を、図４に示しておく。図４は、主として、他方のシリンダ列（Ｂ）のピーク値の様子を示しており、図４から、点火位置を正確に把握することができる。

次に、点火状態判断部１４での判断内容について説明する。
この点火状態判断部１４には、波形信号のピーク値と予め設定された点火状態とみなせる点火みなし範囲とを比較して、点火しているか否か、つまり失火しているか否か、および失火の原因を判断し得る機能が具備されている。なお、点火みなし範囲（つまり、上限値および下限値）は、実際に運転して得られたデータに基づき設定される。

すなわち、この点火状態判断部１４には、図２に示すように、Ａ／Ｄ変換器１３で得られた波形信号のピーク値と点火みなし範囲とを比較する比較部２１と、この比較部２１で得られた比較結果を入力して失火しているか否かを判断する判断部２２とが具備されている。

したがって、上記判断部２２においては、波形信号のピーク値が点火みなし範囲内に入っている場合には、正常に点火が行われていると判断され、一方、点火みなし範囲外である場合には、失火していると判断される。

さらに、点火みなし範囲外である場合で且つ点火みなし範囲の下限値未満である場合には、点火プラグ２の接地極側の白金チップの割れや剥離が発生しており、言い換えれば、電極間の距離が小さくなっていると判断される。

また、点火みなし範囲外である場合で且つ点火みなし範囲の上限値を超えている場合には、点火プラグの隙間が拡がっていると判断される。
そして、さらには、複数個の点火プラグのうち、１個の点火プラグが失火（シリンダが失火しているともいえる）している場合には、そのままガスエンジンの運転が続けられ、少なくとも、２個以上の点火プラグが失火した場合には、ガスエンジンが停止されるようにしている。

これらの判断結果は、通信回線１５を介して監視センター１６に送られて、発電設備での保守・点検用および監視用として用いられる。
上記構成において、ガスエンジンにより発電機が駆動されている状態では、ガスエンジンの点火プラグ２に電気を供給する電気配線４の途中に設けられた電流検出器１１により、各点火プラグ２に供給される電流値がアナログの波形信号として検出されている。

そして、この電流値を表わす波形信号は増幅器１２で増幅された後、Ａ／Ｄ変換器１３で１ＭＨｚの高いサンプリング周波数でもってデジタル信号に変換される。
このデジタル信号に変換された波形信号が点火状態判断部１４の比較部２１に入力されて、そのピーク値と点火みなし範囲内とが比較される。

この比較部２１での比較結果が判断部２２に入力されて、ピーク値が点火みなし範囲内にある場合には、正常に点火が行われていると判断され、これに対して、ピーク値が点火みなし範囲外である場合には、失火していると判断され、さらに以下の判断が行われる。

すなわち、ピーク値が点火みなし範囲外で且つ点火みなし範囲の下限値未満である場合には、点火プラグ２の接地極側の白金チップの割れや剥離が発生しており、言い換えれば、電極間の距離が小さくなっていると判断される。なお、この状態は、初期失火の場合に多く現われる。

一方、ピーク値が点火みなし範囲外で且つ点火みなし範囲の上限値を超えている場合には、点火プラグ２の電極部が摩耗しており、電極間の距離が拡がっていると判断される。
このように、点火プラグに流れる電流値を検出するとともにその波形信号のピーク値が、予め、正常な点火状態での点火プラグに流れる電流値の範囲、つまり点火みなし範囲内に入るか否かに基づき、点火プラグの点火状態、つまり点火しているか失火しているかを判断するようにしたので、失火状態を迅速に且つ正確に検出することができる。

しかも、電流値を表わす波形信号のピーク値が点火みなし範囲外である場合には、点火プラグが失火していると判断し、波形信号のピーク値が点火みなし範囲の上限値を超えている場合には、点火プラグの電極部が摩耗して電極間の距離が拡がっていると判断し、さらに波形信号のピーク値が点火みなし範囲の下限値未満である場合には、電極間の距離が小さくなっていること、つまり、点火プラグの接地極側の白金チップの割れや剥離が発生していると判断するようにしたので、作業員にとって、ガスエンジンの保守・点検作業および監視作業を迅速に且つ正確に行うことができる。

そして、上記の判断結果は、通信回線１５を介して、監視センター１６に送られて、発電設備での保守・点検および監視用のデータとして用いられる。
ところで、上記実施の形態においては、各点火プラグ２に接続された電気配線４の途中にそれぞれ電流検出器１１を配置したが、例えば点火装置３の分配器の手前に設けることもできる。

この場合、波形信号は全ての点火プラグの電流値を含むことになるが、点火プラグとその波形信号を１対１でもって特定するために、いずれか一つのシリンダを基準シリンダにしておくことにより、当該基準シリンダからの点火時期のずれを考慮することにより、どのシリンダに対する波形信号であるかを特定することができる。

勿論、場合によっては、Ａ列のシリンダおよびＢ列のシリンダに対して、電流検出器をそれぞれ１個ずつ配置してもよい。この場合、基準シリンダを、各列の先頭のシリンダとしてもよく、またいずれかの列における先頭のシリンダとしてもよい。

１ シリンダヘッド
２ 点火プラグ
３ 点火装置
４ 電気配線
１１ 電流検出器
１２ 増幅器
１３ Ａ／Ｄ変換器
１４ 点火状態判断部
１５ 通信回線
１６ 監視センター
２１ 比較部
２２ 判断部

Claims (5)

1. ガスエンジンの各シリンダ室に設けられた点火プラグの状態を監視する監視システムであって、
   点火プラグに電気を供給する電気配線途中に設けられた電流検出器と、この電流検出器にて検出された電流値を示すアナログの波形信号を増幅する増幅器と、この増幅器で増幅された波形信号をデジタル変換するＡ／Ｄ変換器と、このＡ／Ｄ変換器で得られた波形信号を入力して点火プラグによる点火状態を判断する点火状態判断部とを具備し、
   上記点火状態判断部を、
   Ａ／Ｄ変換器で得られた波形信号のピーク値と予め設定された点火状態とみなせる点火みなし範囲とを比較する比較部と、この比較部で得られた比較結果を入力して失火しているか否かを判断する判断部とから構成したことを特徴とするガスエンジンにおける点火プラグの監視システム。
2. 判断部において、波形信号のピーク値が点火みなし範囲外である場合には、失火していると判断するようにしたことを特徴とする請求項１に記載のガスエンジンにおける点火プラグの監視システム。
3. 判断部において、波形信号のピーク値が点火みなし範囲の下限値未満である場合には、点火プラグの隙間が狭くなっていると判断するとともに、波形信号のピーク値が点火みなし範囲の上限値を超えている場合には、点火プラグの隙間が拡がっていると判断するようにしたことを特徴とする請求項１に記載のガスエンジンにおける点火プラグの監視システム。
4. 点火状態判断部を、ガスエンジン側に配置したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のガスエンジンにおける点火プラグの監視システム。
5. 点火状態判断部を、ガスエンジンから離れた場所に配置された監視センター側に配置したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のガスエンジンにおける点火プラグの監視システム。

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