JP2012013011A - 予混合式ガスエンジンの空燃比補正制御方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料ガスの性状が時間とともに変化するバイオガスなどの場合であっても、ガスエンジンを安定して運転できるように空燃比を制御する空燃比補正制御方法を提供する。
【解決手段】燃料ガスＦと空気Ａとを混合した混合ガスＭが供給される予混合式ガスエンジン１００の空燃比補正制御方法が提供される。空燃比補正制御方法は、ガスエンジン１の燃焼室２から排出された排気ガスＥの温度を測定するステップと、排気ガスＥの温度が予め設定された適正範囲の上限を超えたときには上限を超える前に比べて空燃比が増加し、排気ガスの温度が適正範囲の下限未満となったときには下限未満になる前に比べて空燃比が減少するように、排気ガスＥの温度に基づいて空燃比を設定するステップと、空燃比の現在の設定値に従って燃料ガスＦまたは空気Ａの供給量を調整するステップとを備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、燃料ガスと空気とが予め混合されて燃焼室に供給される予混合式のガスエンジンの空燃比補正制御方法および空燃比補正制御装置に関する。

化石エネルギーの代替として熱分解ガスや消化ガスなどのバイオガスの有効利用が求められている。バイオガスの利用法の１つとして、バイオガスを燃料としたガスエンジンによる発電システムが注目されている。

ガスエンジンにおいて、燃料ガスと燃焼用の空気との比（空燃比）は重要な調整要素である。燃料ガスに対して空気が多すぎれば失火・燃焼変動が発生し、空気が少なすぎれば排気温度上昇・ノッキングといった燃焼異常の現象が発生して、安定して運転を継続できない。このため、予混合式ガスエンジンにおいては、あらかじめ目標とする空燃比を設定し、混合気の量を計測することにより、空燃比を一定に保っている。この場合、空燃比の設定値は、予め決めた代表的な燃料ガスの性状を用いて設定する。

たとえば、特開２００９−３６１１１号公報（特許文献１）に記載のガスエンジンでは、高カロリーガス（たとえば、ＬＰＧ（液化天然ガス）、都市ガス）を用いて運転する始動時には、空燃比の目標値は燃料が過不足なく反応するとされる理論空燃比の値に設定される。高カロリーガスから低カロリーガス（バイオガス）に切替えるときには、空燃比の目標値は、理論空燃比の値に設定されるか、もしくは混合気が一気にリーンになってしまい失火する可能性を避けるために理論空燃比の値よりもリッチになるように設定される。

特開２００９−３６１１１号公報

都市ガスなどのように性状が安定したガスの場合には空燃比の目標値を固定しても問題がないが、バイオガスのようにガスエンジンの運転中に性状が変化するガスにおいては、適正な空燃比も変化する。このため、バイオガスの場合に空燃比の目標値を固定する制御を行なうと、燃料ガスの性状が変化したときに燃焼異常が発生する。

上記の特許文献に記載のバイオエンジンの場合には、空燃比の目標値は基本的に理論空燃比の値に固定して運転されるため、燃料ガスの性状の急変に対応できない。燃料ガスカロリーの切替わり時は、適正な空燃比とならないため、バイオガスの利用効率の点で問題がある。

この発明の目的は、燃料ガスの性状が時間とともに変化するバイオガスなどの場合であっても、ガスエンジンを安定して運転できるように空燃比を補正制御する空燃比補正制御方法および空燃比補正制御装置を提供することである。

この発明は要約すれば、燃料ガスと空気とを混合した混合ガスが供給される予混合式ガスエンジンの空燃比補正制御方法である。この発明による空燃比補正制御方法は、ガスエンジンの燃焼室から排出された排気ガスの温度を測定するステップと、排気ガスの温度が予め設定された適正範囲の上限を超えたときには上限を超える前に比べて空燃比が増加し、排気ガスの温度が適正範囲の下限未満となったときには下限未満になる前に比べて空燃比が減少するように、排気ガスの温度に基づいて空燃比を設定するステップと、空燃比の現在の設定値に従って燃料ガスまたは空気の供給量を調整するステップとを備える。

好ましくは、上記の排気ガスの温度に基づいて空燃比を設定するステップでは、排気ガスの温度が適正範囲外となったときには、適正範囲外となる前に比べて空燃比が所定の値だけ変化し、排気ガスの温度が適正範囲外である状態が継続している場合には、空燃比は所定の時間ごとに所定の値ずつ変化する。

好ましくは、上記の排気ガスの温度に基づいて空燃比を設定するステップは、ガスエンジンの負荷率が所定の基準値を超えている場合に実行される。

好ましくは、ガスエンジンには、排気ガスを用いてタービンを駆動することによって混合ガスを圧縮する過給機が設けられる。この場合、排気ガスの温度は、燃焼室から過給機に供給される排気ガスの経路のいずれかで測定される。

この発明は他の局面において、燃料ガスと空気とを混合した混合ガスが供給される予混合式ガスエンジンの空燃比補正制御装置であって、温度センサと、空燃比設定部と、ガス量調整器とを備える。温度センサは、ガスエンジンの燃焼室から排出された排気ガスの温度を測定する。補正量決定部は、排気ガスの温度が予め設定された適正範囲の上限を超えたときには上限を超える前に比べて空燃比が増加し、排気ガスの温度が適正範囲の下限未満となったときには下限未満になる前に比べて空燃比が減少するように、排気ガスの温度に基づいて空燃比を設定する。ガス量調整器は、空燃比の現在の設定値に従って燃料ガスまたは空気の供給量を調整する。

この発明はさらに他の局面において、予混合式ガスエンジンシステムであって、予混合式ガスエンジンと、温度センサと、空燃比設定部と、ガス量調整器とを備える。予混合式ガスエンジンには、燃料ガスと空気とを混合した混合ガスが供給される。温度センサは、ガスエンジンの燃焼室から排出された排気ガスの温度を測定する。空燃比設定部は、排気ガスの温度が予め設定された適正範囲の上限を超えたときには上限を超える前に比べて空燃比が増加し、排気ガスの温度がの下限未満となったときには下限未満になる前に比べて空燃比が減少するように、排気ガスの温度に基づいて空燃比を設定する。ガス量調整器は、空燃比の現在の設定値に従って燃料ガスまたは空気の供給量を調整する。

この発明よれば、排気ガスの温度が予め設定された適正範囲にない場合に空燃比を補正することによって、燃料ガスの性状が時間とともに変化するバイオガスなどの場合であっても、ガスエンジンを安定して運転できるように空燃比を制御することができる。

この発明の実施の一形態による予混合式のガスエンジンシステム１００の構成を示すブロック図である。 図１の空燃比制御部１２のより詳しい構成の一例を示すブロック図である。 図２の記憶部１６に記憶される空気過剰率の設定テーブルの一例を示す図である。 図２に示す空燃比制御部１２の動作を示すフローチャートである。 図２に示す理論空気量推定部１４の動作を示すフローチャートである。 （Ａ）温度センサ１３によって測定される排気ガス温度、および（Ｂ）理論空気量推定部１４の出力信号の例を示す図である。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して、その説明を繰返さない。

［ガスエンジンシステム１００の構成］
図１は、この発明の実施の一形態による予混合式のガスエンジンシステム１００の構成を示すブロック図である。図１に示すように、ガスエンジンシステム１００は、ガスエンジン１と、ミキサ３０と、燃料ガス量調整器８と、エアクリーナ７と、過給機４と、スロットル弁９とを含む。

ガスエンジン１は、燃料ガスＦと空気Ａとが予め混合された混合ガスＭが燃焼室２に吸入される予混合式のガスエンジンである。実施の形態１のガスエンジン１では、燃料ガスＦとして熱分解ガスや消化ガスなどのバイオガスが用いられる。吸入された混合ガスＭは燃焼室２内で点火されて燃焼し、発生する熱エネルギーによってピストン３が駆動される。

ミキサ３０は、燃料ガスＦと空気Ａとを混合して混合ガスＭを生成する。燃料ガス量調整器８は、ミキサ３０に供給する燃料ガスＦの流量を調整する。エアクリーナ７は、ミキサ３０に供給する空気Ａに含まれるゴミなどを除去する。

過給機４は、排気タービン駆動式の過給機（いわゆる、ターボチャージャー）である。すなわち、燃焼室２から排気された排気ガスＥによってタービン６が回転し、タービン６に連動して回転するコンプレッサー５によって燃焼室２に供給する混合ガスＭが加圧される。

スロットル弁９は、過給機４のコンプレッサー５と燃焼室２との間の混合ガスＭの経路に設けられ、ガスエンジン１の出力に応じて混合ガスＭの流量を調整する。

燃料ガスＦとして用いられるバイオガスは、都市ガスなどと異なり、その性状が時間的に変化する。たとえば、熱分解ガスは廃プラスチックや建築廃材などを熱分解した後にガス改質することによって得られるが、その成分ガスである水素と一酸化炭素の比率が時間的に変化する。有機廃棄物や汚泥などを嫌気性微生物群によってメタン発酵することによって得られる消化ガスについても、その成分ガスであるメタンと二酸化炭素の比率が時間的に変化する。このため、燃料ガスＦの性状に応じて空燃比（空気Ａと燃料ガスＦとの比率）を適切に制御する必要がある。

図１のガスエンジンシステム１００は、空燃比の制御のために、流量計１１と、温度センサ１３と、空燃比制御部１２と、理論空気量推定部１４とをさらに含む。

流量計１１は、スロットル弁９と燃焼室２との間の混合ガスＭの経路に設けられ、混合ガスＭの流量を測定する。温度センサ１３は、燃焼室２と過給機４との間の排気ガスＥの経路に設けられ、燃焼室２から排出された排気ガスＥの温度を測定する。

空燃比制御部１２は、ガスエンジン１の回転数および負荷率（定格出力に対する現在のエンジン出力の比率）に応じた空気過剰率の値を設定する。理論空気量推定部１４は、ガスエンジン１の負荷率が所定の基準値未満のときは、燃料ガスの種類に応じて、燃料ガスの種類ごとの代表的な性状に基づいて予め設定された理論空気量の標準値を出力する。理論空気量推定部１４は、ガスエンジン１の負荷率が所定の基準値以上のときは、排気ガスＥの温度に基づいて標準値を補正した理論空気量の推定値を出力する。空燃比制御部１２は、理論空気量推定部１４から出力された理論空気量の標準値または推定値に、設定した空気過剰率を乗じることによって空燃比の設定を行なう。そして、空燃比制御部１２は、流量計１１によって計測された混合ガスＭの流量に応じて、空燃比が現在の設定値となるように制御信号を生成して燃料ガス量調整器８に出力する。この結果、燃料ガスＦの流量が調整される。

一般に、排気ガスＥの温度は、空燃比が増加するほど、すなわち、混合ガスＭがリーンの状態になるほど低下する。この発明では、この点を利用して、排気ガスＥの温度の変化をモニタすることによって、燃料ガスＦの性状の変化を検出する。そして、排気ガスＥの温度に応じて理論空気量の標準値を補正する。これによって、燃料ガスＦの性状の変化に応じて空燃比を最適化することができる。ただし、低負荷時には、燃料ガスＦの性状変化に対する排気ガスＥの温度の追随性が鈍いので、排気ガスＥの温度による空燃比の補正制御はある程度の高負荷になってから行なうのが望ましい。

空燃比制御部１２および理論空気量推定部１４の機能は、マイクロコンピュータを用いて実現することができる。図１では空燃比制御部１２と理論空気量推定部１４とが別個の構成となっているが、これらを合わせて１つのマイクロコンピュータによって構成してもよい。

［空燃比補正制御装置１０の構成］
図２は、図１の空燃比制御部１２のより詳しい構成の一例を示すブロック図である。図２には、ガスエンジンシステム１００における空燃比の制御に関わる構成が併せて示されている。図２に示すように、空燃比制御部１２は、記憶部１６と、空気過剰率設定部１５と、乗算部１７と、制御信号生成部１８とを含む。なお、理論空気量推定部１４、温度センサ１３、空燃比制御部１２、および流量計１１によって、この発明の空燃比補正制御装置１０が構成される。

記憶部１６は、回転数および負荷率に応じた空気過剰率の値を記憶する。図３は、図２の記憶部１６に記憶される空気過剰率の設定テーブルの一例を示す図である。

空気過剰率設定部１５は、ガスエンジン１の回転数および負荷率に対応する空気過剰率の値を記憶部１６から読み出す。図１のガスエンジン１は、図示しないエンジン制御部によって回転数および出力が制御される。空気過剰率設定部１５は、このエンジン制御部から回転数および負荷率を表わす情報を取得する。

乗算部１７（空燃比計算部）は、空気過剰率設定部１５から出力された空気過剰率の設定値に、理論空気量推定部１４から取得した、燃料ガスの種類に対応した理論空気量の標準値または推定値Ｙｏｕｔを乗ずることによって空燃比の設定値を定める。記憶部１６から読み出された空気過剰率をαとすると、最終的な空燃比Ｒは、
Ｒ＝Ｙｏｕｔ×α …(1)
と表わされる。

制御信号生成部１８は、流量計１１によって検出された混合ガスＭの流量に応じて算出した空燃比Ｒが得られるように、燃料ガス量調整器８から出力される燃料ガスＦの流量を調整するための制御信号を生成する。

理論空気量推定部１４は、ガスエンジン１の負荷率が所定の基準値（たとえば、９０％）以上となったときに空燃比の設定値の補正として、排気ガス温度Ｔｅｘに基づいて理論空気量の推定値Ｙｏｕｔを決定する。具体的には、理論空気量推定部１４は、排気ガス温度Ｔｅｘが予め設定された適正範囲の上限を超えたときには適正範囲の上限を超える前に比べて空燃比が増加し、排気ガス温度Ｔｅｘが適正範囲の下限未満となったときには適正範囲の下限未満になる前に比べて空燃比が減少するように理論空気量の推定値Ｙｏｕｔを決定する。このとき、排気ガス温度Ｔｅｘが適正範囲外となったときには、適正範囲外となる前に比べて理論空気量の推定値Ｙｏｕｔを所定量だけ増加または減少させ、排気ガス温度Ｔｅｘが適正範囲外である状態が継続している場合には、理論空気量の推定値Ｙｏｕｔを所定の時間ごとに所定量ずつ増加または減少させるのが望ましい。

［空燃比補正制御装置１０の動作］
図４は、図２に示す空燃比制御部１２の動作を示すフローチャートである。図２、図４を参照して、空燃比制御部１２の動作について説明する。

ガスエンジン１が起動すると、図示しないエンジン制御部は、回転数および負荷率を徐々に増加させる。ステップＳ１０１で、空気過剰率設定部１５はエンジン制御部から回転数および負荷率を表わす情報を取得する。次のステップＳ１０２で、空気過剰率設定部１５は、エンジン制御部から取得した回転数・負荷率に対応する空気過剰率の設定値を記憶部１６に記憶されたテーブルに基づいて定める。

次のステップＳ１０３で、空燃比制御部１２は、理論空気量推定部１４から理論空気量の設定値（標準値または推定値）を取得する。

次のステップＳ１０４で、乗算部１７は、空気過剰率設定部１５から出力された空気過剰率の設定値に理論空気量推定部１４から取得した理論空気量の設定値（標準値または推定値）を乗ずることによって、空燃比の設定を行なう。

次のステップＳ１０５で、燃料ガス量調整器８は、空燃比の現在の設定値に対応した制御信号を空燃比制御部１２から受け、制御信号に基づいて燃料ガスの流量Ｆを調整する。エンジンが停止されない場合には（ステップＳ１０６でＮＯ）、ステップＳ１０１〜Ｓ１０５の手順が繰返される。

図５は、図２に示す理論空気量推定部１４の動作を示すフローチャートである。以下、図２、図５を参照して理論空気量推定部１４の動作について説明する。

ガスエンジン１の起動後、ガスエンジン１の出力が所定の基準値（たとえば、定格出力の９０％、すなわち、負荷率９０％）に達する（ステップＳ２でＹＥＳ）までは、理論空気量推定部１４は、燃料ガスの種類に応じた理論空気量の設定値Ｙｏｕｔとして、燃料ガスの種類ごとの代表的な性状に基づいて予め決められた標準値（たとえば、Ｙｏｕｔ＝５）を出力する（ステップＳ１）。ガスエンジン１の出力が所定の基準値未満の場合には（ステップＳ２でＮＯ）、エンジン停止の場合（ステップＳ１０でＹＥＳ）を除いてステップＳ１が繰返される。

ガスエンジン１の出力が所定の基準値以上になると（ステップＳ２でＹＥＳ）、理論空気量推定部１４は、所定時間ごとに、温度センサ１３で検出された排気ガス温度Ｔｅｘを確認する。

次のステップＳ４で、理論空気量推定部１４は、排気ガス温度Ｔｅｘが適正範囲の上限Ｔｍａｘを超えているか否かを判定する。排気ガス温度Ｔｅｘが上限Ｔｍａｘを超えている場合には（ステップＳ４でＹＥＳ）、理論空気量推定部１４は現在の理論空気量の設定値（標準値または推定値）Ｙｏｕｔを確認し（ステップＳ５）、理論空気量の設定値Ｙｏｕｔを現在の設定値よりもさらに所定量だけ増加させる（ステップＳ６）。この結果、空燃比が増加するので排気ガス温度Ｔｅｘの上昇を抑制することができる。

次のステップＳ７で、理論空気量推定部１４は、排気ガス温度Ｔｅｘが適正範囲の下限Ｔｍｉｎ未満となっているか否かを判定する。排気ガス温度Ｔｅｘが下限Ｔｍｉｎ未満となっている場合には（ステップＳ７でＹＥＳ）、理論空気量推定部１４は現在の理論空気量の設定値（標準値または推定値）Ｙｏｕｔを確認し（ステップＳ８）、理論空気量の設定値Ｙｏｕｔを現在の設定値よりもさらに所定量だけ減少させる（ステップＳ９）。この結果、空燃比が減少するので排気ガス温度Ｔｅｘの低下を抑制することができる。

上記のステップＳ６，Ｓ９の終了後、および上記のステップＳ４，Ｓ７がいずれもＮＯの場合には、処理はステップＳ２に戻って上記の各ステップが繰返される。したがって、排気ガス温度Ｔｅｘが上限Ｔｍａｘを超えている状態（ステップＳ４でＹＥＳ）が継続している場合には、所定時間ごとに所定量ずつ理論空気量の設定値Ｙｏｕｔが増加することになる。逆に、排気ガス温度Ｔｅｘが下限Ｔｍｉｎ未満である状態（ステップＳ７でＹＥＳ）が継続している場合には、所定時間ごとに所定量ずつ理論空気量の設定値Ｙｏｕｔが減少することになる。排気ガス温度Ｔｅｘが適正範囲内の状態が継続している場合には、理論空気量の設定値Ｙｏｕｔは現在の値のまま変化しない。すなわち、排気ガス温度Ｔｅｘの適正範囲内は不感帯となっている。

図６は、（Ａ）温度センサ１３によって測定される排気ガス温度、および（Ｂ）理論空気量推定部１４の出力信号の例を示す図である。図６（Ａ）において、中心温度Ｔｒｅｆから上側にΔＴまでの範囲および中心温度Ｔｒｅｆから下側にΔＴまでの範囲が適正範囲（上限：Ｔｍａｘ、下限：Ｔｍｉｎ）となっている。図６（Ｂ）において、出力信号は理論空気量の設定値（標準値または推定値）Ｙｏｕｔに正比例する信号である。出力信号の初期値をＹ０とする。

図６の時刻ｔ１で排気ガス温度が下限Ｔｍｉｎより小さくなったので、図２の理論空気量推定部１４は、出力信号を初期値Ｙ０よりも所定量Ｙｓｔｅｐだけ減少させる。所定時間Ｔｉｎｔが経過した時刻ｔ２になっても排気ガス温度が下限Ｔｍｉｎを下回っている場合には、理論空気量推定部１４は、さらに所定量Ｙｓｔｅｐだけ出力信号を減少させる。その後、理論空気量推定部１４は、時刻ｔ３，ｔ４，ｔ５において所定量Ｙｓｔｅｐだけ出力信号を減少させる。時刻ｔ６以降、排気ガス温度が適正範囲内に戻ったので、出力信号は（Ｙ０−Ｙｓｔｅｐ×５）の値のままで維持される。

以上のとおり、上記の実施の形態によるガスエンジンシステム１００によれば、排気ガス温度Ｔｅｘが予め設定された適正範囲にない場合に空燃比を補正することによって、燃料ガスＦの性状が時間とともに変化するバイオガスなどの場合であっても、ガスエンジン１を安定して運転できるように空燃比を制御することができる。

上記では、空燃比を制御するために、燃料ガスＦの供給量を調整する燃料ガス量調整器８が設けられていたが、燃料ガス量調整器８に代えて空気Ａの供給量を調整する空気量調整器を設けてもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ ガスエンジン、２ 燃焼室、４ 過給機、８ 燃料ガス量調整器、１０ 空燃比補正制御装置、１１ 流量計、１２ 空燃比制御部、１３ 温度センサ、１４ 理論空気量推定部、１５ 空気過剰率設定部、１００ ガスエンジンシステム、Ａ 空気、Ｅ 排気ガス、Ｆ 燃料ガス、Ｍ 混合ガス、Ｔｅｘ 排気ガス温度。

Claims (6)

1. 燃料ガスと空気とを混合した混合ガスが供給される予混合式ガスエンジンの空燃比補正制御方法であって、
   前記ガスエンジンの燃焼室から排出された排気ガスの温度を測定するステップと、
   前記排気ガスの温度が予め設定された適正範囲の上限を超えたときには前記上限を超える前に比べて空燃比が増加し、前記排気ガスの温度が前記適正範囲の下限未満となったときには前記下限未満になる前に比べて空燃比が減少するように、前記排気ガスの温度に基づいて空燃比を設定するステップと、
   空燃比の現在の設定値に従って前記燃料ガスまたは前記空気の供給量を調整するステップとを備える、予混合式ガスエンジンの空燃比補正制御方法。
2. 前記排気ガスの温度に基づいて空燃比を設定するステップでは、前記排気ガスの温度が前記適正範囲外となったときには、前記適正範囲外となる前に比べて空燃比が所定の値だけ変化し、前記排気ガスの温度が前記適正範囲外である状態が継続している場合には、空燃比は所定の時間ごとに前記所定の値ずつ変化する、請求項１に記載の予混合式ガスエンジンの空燃比補正制御方法。
3. 前記排気ガスの温度に基づいて空燃比を設定するステップは、前記ガスエンジンの負荷率が所定の基準値を超えている場合に実行される、請求項１または２に記載の予混合式ガスエンジンの空燃比補正制御方法。
4. 前記ガスエンジンには、前記排気ガスを用いてタービンを駆動することによって前記混合ガスを圧縮する過給機が設けられ、
   前記排気ガスの温度は、前記燃焼室から前記過給機に供給される前記排気ガスの経路のいずれかで測定される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の予混合式ガスエンジンの空燃比補正制御方法。
5. 燃料ガスと空気とを混合した混合ガスが供給される予混合式ガスエンジンの空燃比補正制御装置であって、
   前記ガスエンジンの燃焼室から排出された排気ガスの温度を測定する温度センサと、
   前記排気ガスの温度が予め設定された適正範囲の上限を超えたときには前記上限を超える前に比べて空燃比が増加し、前記排気ガスの温度が前記適正範囲の下限未満となったときには前記下限未満になる前に比べて空燃比が減少するように、前記排気ガスの温度に基づいて空燃比を設定する空燃比設定部と、
   空燃比の現在の設定値に従って前記燃料ガスまたは前記空気の供給量を調整するガス量調整器とを備える、予混合式ガスエンジンの空燃比補正制御装置。
6. 燃料ガスと空気とを混合した混合ガスが供給される予混合式ガスエンジンと、
   前記ガスエンジンの燃焼室から排出された排気ガスの温度を測定する温度センサと、
   前記排気ガスの温度が予め設定された適正範囲の上限を超えたときには前記上限を超える前に比べて空燃比が増加し、前記排気ガスの温度が前記適正範囲の下限未満となったときには前記下限未満になる前に比べて空燃比が減少するように、前記排気ガスの温度に基づいて空燃比を設定する空燃比設定部と、
   空燃比の現在の設定値に従って前記燃料ガスまたは前記空気の供給量を調整するガス量調整器とを備える、予混合式ガスエンジンシステム。

Images