JP2010209892A - エンジン失火判定システム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発電用エンジンにおける失火の発生を正確に判定する。
【解決手段】発電機３０を駆動するガスエンジン２の失火を判定するシステム１であって、 ガスエンジン２の気筒３の内部圧力である気筒内圧力を検出可能な筒内圧センサ２５と、気筒３が圧縮行程にあるときに筒内圧センサ２５で検出される第１気筒内圧力Ｐ１と、気筒３が爆発行程にあるときに筒内圧センサ２５で検出される第２気筒内圧力Ｐ２との差ΔＰ（＝Ｐ２−Ｐ１）を閾値αと比較することにより、気筒３の失火を判定する失火判定装置２４と、を備え、失火判定装置２４は、筒内圧センサ２５で検出される第１気筒内圧力Ｐ１（負荷に相関関係のある値）に応じて閾値αを変更する。
【選択図】図１

Description

本発明は、発電機を駆動するエンジンの失火を判定するためのエンジン失火判定システム及び方法に関するものである。

近年、工場等において、電力会社から供給される系統電力と、工場内に定置されたガスエンジンで発電機を駆動して得られる発電電力とを連係させて使用する電力システムが提供されている。ガスエンジンは、リーン状態で燃焼が行われるとエネルギー効率が良好であり、一定負荷で運転する発電設備に用いるのに適している。このガスエンジンの運転においては、圧縮行程から爆発行程に移行する際に混合気が着火されない失火が発生すると望ましくないため、失火発生を正しく把握してそれに対処する必要がある。

エンジンの失火を判定するための技術としては、正常燃焼時と失火発生時とで気筒内の圧力波形が異なることを利用し、エンジンの気筒内圧力から失火の発生を判定する装置が知られている（例えば、特許文献１，２参照）。正常燃焼時には、着火された混合気の燃焼によって気筒内で圧力増加が生じるため、気筒内のピストンが上死点に達した後に気筒内圧力が増加することとなる。これに対して、失火発生時には、燃料による圧力増加が発生しないため、上死点において気筒内圧力が最大となり、その後は気筒内圧力が減少する。よって、前記装置は、圧縮行程での気筒内圧力と、上死点以降の爆発行程での気筒内圧力とを検出し、これら気筒内圧力の比を所定の閾値と比較して失火の発生を判定するようにしている。

特開昭５７−８０５３８号公報 特開２００３−１３７９３号公報

ところで、発電用エンジンでは、起動時において失火の有無を判定し、失火が発生すれば運転を停止して再び起動をやり直すようにしている。その場合、起動時の低負荷運転では、正常燃焼時における上死点以降の気筒内圧力と、失火発生時における上死点以降の気筒内圧力との差が小さいため、閾値を十分に小さな値に設定しないと、正常燃焼時を失火であると誤判定する可能性がある。一方、高負荷運転時（定格運転時）には、閾値を小さくし過ぎると、失火と判定すべき燃焼状態の悪い状態が発生しても、失火が発生したと判定されない可能性がある。また、高負荷運転時において、気筒内圧力を検出するセンサに誤差が生じた場合にも、閾値を小さくし過ぎると、正しく失火が判定されない可能性がある。

そこで本発明は、発電用エンジンにおける失火の発生を正確に判定することを目的としている。

本発明は前記事情に鑑みてなされたものであり、本発明に係るエンジン失火判定システムは、発電機を駆動するエンジンの失火を判定する装置であって、前記エンジンの気筒の内部圧力である気筒内圧力を検出可能な圧力検出手段と、前記気筒が圧縮行程にあるときに前記圧力検出手段で検出される第１気筒内圧力と、前記気筒が爆発行程にあるときに前記圧力検出手段で検出される第２気筒内圧力との差又は比を閾値と比較することにより、前記気筒の失火を判定する失火判定手段と、前記発電機の負荷又は前記発電機の負荷に相関関係のある値を検出可能な負荷情報検出手段と、を備え、前記失火判定手段は、前記負荷情報検出手段で検出される前記負荷又は前記負荷に相関関係のある値に応じて前記閾値を変更することを特徴とする。

前記構成によれば、発電機の負荷に応じて閾値が適宜変更されることになるので、負荷に関係なく閾値を一定とした場合に比べて、エンジンでの失火の発生を正確に判定することが可能となる。

前記失火判定手段は、前記負荷情報検出手段で検出される前記負荷又は前記負荷に相関関係のある値が大きくなるにつれて前記閾値を大きくするように構成されてもよい。

前記構成によれば、発電機の負荷が小さいときには閾値が小さく設定されるので、起動時等の低負荷運転のように、正常燃焼時における爆発行程での気筒内圧力と、失火発生時における爆発行程での気筒内圧力との差が小さい場合において、正常燃焼時を失火であると誤判定することを防止することができる。かつ、発電機の負荷が大きいときには閾値が大きく設定されるので、高負荷運転時において、失火と判定すべき燃焼状態の悪い状態が発生しても、失火が発生していないと誤判定することを防止することができる。

前記気筒が圧縮行程にあるときの気筒内圧力と前記負荷とが相関関係を有するように前記気筒に供給される混合気の空燃比を制御する空燃比制御手段をさらに有し、前記圧力検出手段は、前記負荷情報検出手段を兼ねており、前記負荷情報検出手段は、前記負荷に相関関係のある値として前記気筒が圧縮行程にあるときの気筒内圧力を検出するように構成されていてもよい。

前記構成によれば、圧縮行程の気筒内圧力と発電機の負荷とが相関関係を有するように空燃比を制御されている場合（例えば、空燃比が一定の場合等）には、気筒内圧力に応じて閾値を変更し、負荷情報検出手段を圧力検出手段と別個に設ける必要がなくなるので、システムを簡素化することができる。

また本発明のエンジン失火判定方法は、発電機を駆動するエンジンの失火を判定する方法であって、前記エンジンの気筒が圧縮行程にあるときに第１気筒内圧力を検出し、前記エンジンの気筒が爆発行程にあるときに第２気筒内圧力を検出し、前記第１気筒内圧力と前記第２気筒内圧力との差又は比を閾値と比較することにより、前記気筒の失火を判定し、前記発電機の負荷又は前記発電機の負荷に相関関係のある値に応じて前記閾値を変更することを特徴とする。

前記方法によれば、発電機の負荷に応じて閾値が適宜変更されることになるので、負荷に関係なく閾値を一定とした場合に比べて、エンジンでの失火の発生を正確に判定することが可能となる。

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、発電用エンジンにおける失火の発生を正確に判定することができる。

本発明の実施形態に係るガスエンジンの失火判定システムを示した構成図である。 正常燃焼時及び失火発生時における気筒内圧力とクランク角との関係を表したグラフである。 失火判定装置における失火判定の流れを説明する図面である。 負荷と第１気筒内圧力との対応データを表したグラフである。 閾値と負荷との対応データを表したグラフである。 変形例における負荷と第１気筒内圧力との対応データを表したグラフである。

以下、本発明に係る実施形態を図面を参照して説明する。

図１は本発明の実施形態に係るガスエンジンの失火判定システム１を示した構成図である。図１に示すように、ガスエンジン２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ストロークエンジンであり、発電機３０を駆動する原動機として使用されている。図１ではガスエンジン２の気筒３の１つを代表して示しているが、図示しない他の気筒も同様の構成となっている。

気筒３にはピストン４が往復動可能に挿入されており、ピストン４は出力軸であるクランク軸２９と連結されている。このクランク軸２９は、発電機３０の入力軸に駆動力を伝達するように接続されている。気筒３内におけるピストン４の上方は主燃焼室５をなしてある。主燃焼室５には、給気弁６を介して給気ポート７が接続されるとともに、排気弁８を介して排気ポート９が接続されている。給気ポート７内にはガス燃料を噴射する主燃料ガス供給弁１０が設けられている。また、主燃焼室５には副燃焼室１１が隣接している。副燃焼室１１は、隔壁１２を介して主燃焼室５と区画され、隔壁１２に形成された連通孔１３を介して主燃焼室５と連通している。この副燃焼室１１にはガス燃料を噴射する副燃料ガス供給弁１４と、混合気を燃焼させるための点火プラグ１５とが設けられている。

このガスエンジン２によれば、給気行程において、主燃焼室５には給気ポート７から空気と主燃料ガス供給弁１０が噴射するガス燃料とを含む混合気が供給され、副燃焼室１１には副燃料ガス供給弁１４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５及び副燃焼室１１内の混合気が圧縮された後、点火プラグ１５が所定のタイミングで動作して副燃焼室１１内の混合気が着火される。副燃焼室１１内で発生した火炎は連通孔１３を通じて主燃焼室５内に伝播し、主燃焼室５内の混合気が着火される。これによりピストン４が押し下げられる（膨張行程）。そして、排気行程において、主燃焼室５内のガスは排気ポート９を介して外部に排出される。なお、排気ポート９に接続される排気通路１６は、過給機（図示せず）に接続される第１排気通路１７と、外部に開放される第２排気通路１８とに分岐されており、第２排気通路１８には給気圧を調整するための調整弁１９が設けられている。

失火判定システム１は、ＣＰＵ、記憶装置及び入出力インターフェース等を有する主制御装置２０を備えている。主制御装置２０は、主燃料ガス供給弁１０及び副燃料ガス供給弁１４を駆動するガス弁制御装置２１に接続され、このガス弁制御装置２１に指令信号を出力して各燃料ガス供給弁１０，１４を駆動制御する。また、主制御装置２０は、点火プラグ１５を駆動する点火プラグドライバ２２に接続されている。主制御装置２０は、このドライバ２２に指令信号を出力して点火プラグ１５を駆動制御し、これにより混合気の着火タイミングを制御する。また、主制御装置２０には、給気圧、給気温度などが入力されるようになっている。主制御装置２０は、空燃比が略一定となるように給気圧を制御するために調整弁１９の開度を調節する機能を有する。即ち、主制御装置２０が、空燃比制御手段を構成している。

失火判定システム１は、ガスエンジン２のクランク角を検知するためのクランク角検知装置２３を備え、主制御装置２０にはクランク角検知装置２３からのクランク角情報が入力されるようになっている。クランク角検知装置２３には、例えば、ロータリーエンコーダ等が用いられ、その場合にはエンコーダパルス信号（回転数パルス信号）及びリセット信号（１サイクルに一度出力される信号）によりクランク角が検知されることとなる。

失火判定システム１は、圧縮行程から爆発行程に移行する際に気筒３にて混合気が正常に燃焼されない現象である失火の発生を判定する失火判定装置２４（失火判定手段）を備えている。この失火判定装置２４には、クランク角検知装置２３と、気筒３の内部圧力である気筒内圧力を検出する筒内圧センサ２５（圧力検出手段）とが接続されている。失火判定装置２４は、クランク角検知装置２３で検知されたクランク角と、筒内圧センサ２５で検出された気筒内圧力とに基づいて気筒３での失火の発生を判定する。

次に、失火判定装置２４による失火判定の原理を説明する。図２は正常燃焼時及び失火発生時における気筒内圧力とクランク角との関係を表したグラフである。図２に示すように、ガスエンジン２の正常燃焼時には、圧縮行程から爆発行程に移行する際においてピストン４が上死点に達した後も、燃焼により気筒内圧力は上昇する。一方、ガスエンジン２で失火が発生した時には、燃焼による圧力上昇が生じないため、気筒３内の容積が最小なる上死点で圧力がピークとなり、上死点の後は圧力が減少する。つまり、失火発生時における気筒内圧力の波形は上死点を中心として略対称となる。

このため、上死点に達する前の圧縮行程における所定のクランク角θ１での気筒内圧力をＰ１（以下、Ｐ１を第１気筒内圧力と称す）とし、上死点に達した後の爆発行程における所定のクランク角θ２での気筒内圧力をＰ２（以下、Ｐ２を第２気筒内圧力と称す）としたときの、第２気筒内圧力Ｐ２と第１気筒内圧力Ｐ１との圧力差ΔＰの値を閾値αと比較することによって、失火の発生を判定することができる。

具体的には、上死点のクランク角θ_TDCとクランク角θ１との差が、クランク角θ２と上死点のクランク角θ_TDCとの差に等しくなるようにθ１及びθ２を設定する。なお、θ_TDCとθ１との差（すなわちθ_TDCとθ２との差）は、５°〜４５°の範囲内にあることが望ましい。θ_TDCとθ１との差が小さすぎると、燃焼遅れが発生した場合に、Ｐ１とＰ２との差が小さくなって、失火と燃焼との区別ができない可能性がある一方、θ_TDCとθ１との差が大きすぎると、燃焼の影響がＰ２に現れずにＰ１とＰ２との差が小さくなって、失火と燃焼との区別ができない可能性があるためである。なお、５°〜４５°との具体的な数値は、実験結果から得られたものである。

そして、数式１を満たすときには正常燃焼であると判定し、数式２を満たすときには失火発生と判定する。この際の閾値αは、後述するように発電機３０の負荷に応じて変更される。

［数１］
ΔＰ＝Ｐ２−Ｐ１＞α
［数２］
ΔＰ＝Ｐ２−Ｐ１≦α

図３は失火判定装置２４における失火判定の流れを説明する図面である。図３に示すように、失火判定装置２４は、筒内圧センサ２５から気筒内圧力を受信するとともに、クランク角検知装置２３からクランク角を受信し、図２に示すような気筒内圧力とクランク角との関係を示すデータを取得する（Ｓ１）。次いで、そのデータからΔＰ（＝Ｐ２−Ｐ１）を計算する（Ｓ２）。また、ΔＰの計算と並行して、発電機３０の負荷（発電機出力）を推定する（Ｓ３）。

負荷の推定は、次のような原理で行われる。気筒３に供給される混合気の空燃比（＝燃焼に必要な空気重量／投入する燃料重量）は、圧縮行程にあるときの第１気筒内圧力Ｐ１と発電機３０の負荷とが相関関係を有するように主制御装置２０により制御されている。具体的には、空燃比は略一定に保たれるよう制御されており、低負荷では気筒３に供給される燃料量及び空気量は少なく、高負荷では気筒３に供給される燃料量及び空気量は多くなる。よって、点火プラグ１５により着火されるまでの圧縮行程における第１気筒内圧力Ｐ１は、低負荷では低く、高負荷では高くなるという関係が成立する。

そこで、図４に示すように、ガスエンジン２により実際に発電を行うときと同一条件において第１気筒内圧力Ｐ１と負荷との相関関係を予め実験や計算等から求めておき、失火判定装置２４に当該相関関係から得られる高次の近似関数やテーブル関数等を記憶させている。これにより、失火判定装置２４は、第１気筒内圧力Ｐ１から負荷を推定できるようになっている。よって、図３のＳ３では、図４に示すような関係を利用して、筒内圧センサ２５で検出された第１気筒内圧力Ｐ１から発電機３０の負荷を推定する。よって、筒内圧センサ２５は、負荷情報検出手段を兼ねており、第１気筒内圧力Ｐ１を負荷に相関関係のある値として検出する役目も果たしている。

次いで、失火判定装置２４は、推定された負荷に応じて閾値αを決定する（Ｓ４）。具体的には、失火判定装置２４は、図５に示すような負荷と閾値αとの対応関係を記憶しており、この対応関係は負荷が大きくなるにつれて閾値αが大きくなるように設定されている。

次いで、失火判定装置２４は、決定された閾値αとΔＰ（＝Ｐ２−Ｐ１）との比較を行い、前述した数式１を満たすときには正常燃焼であると判定し、数式２を満たすときには失火発生と判定する（Ｓ５）。

以上に説明した構成によれば、発電機３０の負荷に応じて閾値αが適宜変更されることになるので、負荷に関係なく閾値αを一定とした場合に比べて、ガスエンジン２での失火の発生を正確に判定することが可能となる。また、発電機３０の負荷が小さいときには閾値αが小さく設定されるので、起動時等の低負荷運転のように、正常燃焼時における爆発行程での第２気筒内圧力Ｐ２と、失火発生時における爆発行程での第２気筒内圧力Ｐ２との差が小さい場合において、正常燃焼時を失火であると誤判定することを防止することができる。かつ、発電機３０の負荷が大きいときには閾値αが大きく設定されるので、高負荷運転時において、失火と判定すべき燃焼状態の悪い状態が発生しても、失火が発生していないと誤判定することを防止することができる。さらに、発電機３０の負荷に相関関係のある値として圧縮行程での第１気筒内圧力Ｐ１を用い、その第１気筒内圧力Ｐ１に応じて閾値αを変更しているため、発電機３０の負荷を直接検出して失火判定装置２４に入力する必要がなくなり、システムを簡素化することができる。

なお、前述した実施形態では、ガスエンジン２の空燃比を略一定に制御しているが、変形例として、空燃比を変化させるように制御してもよい。その場合には、図４のような対応データの代わりに、図６のような対応データを利用する。図６に示すように、負荷に対して燃料量はほぼ一意に決まるため、空燃比が大きいと空気量が多いことになり、圧縮行程の第１気筒内圧力Ｐ１の値は大きくなる。一方、空燃比が小さいと、空気量が少ないことになり、圧縮行程の第１気筒内圧力Ｐ１の値は小さくなる。

図６に示す第１気筒内圧力Ｐ１と負荷との相関関係は、空燃比ごとに実験や計算等を行うことで予め求めておき、失火判定装置２４に当該相関関係から得られる高次の近似関数やテーブル関数等を記憶させている。これにより、失火判定装置２４は、図６のうち現在の空燃比に対応するデータを参照し、第１気筒内圧力Ｐ１から負荷を推定することができる。

また、前述した実施形態では、図４（又は図６）により第１気筒内圧力Ｐ１から負荷を求め、その負荷から閾値αを求めているが、第１気筒内圧力Ｐ１から直接的に閾値αを求めるようにしてもよい。また、前述した実施形態では、第２気筒内圧力Ｐ２と第１気筒内圧力Ｐ１との差を閾値αと比較しているが、第２気筒内圧力Ｐ２と第１気筒内圧力Ｐ１との比を閾値と比較するようにしてもよい。また、前述した実施形態では、第１気筒内圧力Ｐ１から負荷を推定しているが、負荷検出センサにより発電機３０から直接計測した負荷を失火判定装置２４に入力するようにしてもよい。

以上のように、本発明に係るエンジン失火判定システム及び方法は、発電用エンジンにおける失火の発生を正確に判定できる優れた効果を有し、この効果の意義を発揮できる発電用ガスエンジン等に広く適用すると有益である。

１ 失火判定システム
２ ガスエンジン
３ 気筒
２２ 主制御装置（空燃比制御手段）
２４ 失火判定装置（失火判定手段）
２５ 筒内圧センサ（圧力検出手段，負荷情報検出手段）
３０ 発電機

Claims (4)

1. 発電機を駆動するエンジンの失火を判定するシステムであって、
   前記エンジンの気筒の内部圧力である気筒内圧力を検出可能な圧力検出手段と、
   前記気筒が圧縮行程にあるときに前記圧力検出手段で検出される第１気筒内圧力と、前記気筒が爆発行程にあるときに前記圧力検出手段で検出される第２気筒内圧力との差又は比を閾値と比較することにより、前記気筒の失火を判定する失火判定手段と、
   前記発電機の負荷又は前記発電機の負荷に相関関係のある値を検出可能な負荷情報検出手段と、を備え、
   前記失火判定手段は、前記負荷情報検出手段で検出される前記負荷又は前記負荷に相関関係のある値に応じて前記閾値を変更することを特徴とするエンジン失火判定システム。
2. 前記失火判定手段は、前記負荷情報検出手段で検出される前記負荷又は前記負荷に相関関係のある値が大きくなるにつれて前記閾値を大きくするように構成されている請求項１に記載のエンジン失火判定システム。
3. 前記気筒が圧縮行程にあるときの気筒内圧力と前記負荷とが相関関係を有するように前記気筒に供給される混合気の空燃比を制御する空燃比制御手段をさらに有し、
   前記圧力検出手段は、前記負荷情報検出手段を兼ねており、
   前記負荷情報検出手段は、前記負荷に相関関係のある値として前記気筒が圧縮行程にあるときの気筒内圧力を検出するように構成されている請求項１又は２に記載のエンジン失火判定システム。
4. 発電機を駆動するエンジンの失火を判定する方法であって、
   前記エンジンの気筒が圧縮行程にあるときに第１気筒内圧力を検出し、
   前記エンジンの気筒が爆発行程にあるときに第２気筒内圧力を検出し、
   前記第１気筒内圧力と前記第２気筒内圧力との差又は比を閾値と比較することにより、前記気筒の失火を判定し、
   前記発電機の負荷又は前記発電機の負荷に相関関係のある値に応じて前記閾値を変更することを特徴とするエンジン失火判定方法。
   

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