JP2014199031A - ミキサ - Google Patents

Abstract

【課題】簡単且つ合理的な構成を採用しつつ、空燃比を高精度且つ広く調整可能としてエンジンの安定した運転状態を確保することができるミキサを提供する。
【解決手段】エンジン３０の吸気路２０に配置される混合部１１と、混合部１１に燃料ガスＦを供給するガス供給路１２と、ガス供給路１２から混合部１１への燃料ガスＦの供給量を調整可能な供給量調整手段１７とを備えたミキサ１０において、ガス供給路１２として、燃料ガスＦが連続的に通流する主ガス供給路１２ａと、開閉作動弁１３を設けた副ガス供給路１２ｂとを、混合部１１に対して並列接続して備え、供給量調整手段１７として、開閉作動弁１３を周期的に開閉作動させると共に当該開閉作動のデューティー比制御により混合部１１への燃料ガスＦの供給量を調整可能な開閉作動部１４を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンの吸気路に配置される混合部と、
前記混合部に燃料ガスを供給するガス供給路と、
前記ガス供給路から前記混合部への燃料ガスの供給量を調整可能な供給量調整手段とを備えたミキサに関する。

この種のエンジンの吸気路に設けられるミキサは、吸気路に配置される混合部に対して、ガス供給路を通じて天然ガス系都市ガスなどの燃料ガスを供給することで、当該混合部に混合気を生成するものとして構成されている。更に、このガス供給路には、混合部への燃料ガスの供給量を調整可能な供給量調整手段が設けられており、この供給量調整手段により燃料ガスの供給量を調整することで、エンジンに吸気される混合気の空燃比が、ストイキ範囲内（例えば空気過剰率換算で１．０程度）等の所望の空燃比に制御される。

かかるミキサでは、上記供給量調整手段として、ガス供給路に設けたニードル弁などの開度調整弁の開度制御により混合部への燃料ガスの供給量を調整可能な開度調整部を設けるのが一般的であるが（例えば特許文献１を参照。）、このような開度調整部の代わりに、ガス供給路に設けたソレノイド弁などの開閉作動弁を周期的に開閉作動させると共に当該開閉作動のデューティー比（開閉作動周期における開時間の割合）制御により混合部への燃料ガスの供給量を調整可能な開閉作動部を設ける場合もある（例えば特許文献２を参照。）。
前者のように供給量調整手段として開度調整部を設ける場合には、混合部への燃料ガスの供給状態を脈動の少ない安定したものに維持できるので、空燃比が安定した混合気をエンジンに吸気させて、運転状態を安定したものに維持することができる。一方、後者のように供給量調整手段として開閉作動部を設ける場合には、開閉作動におけるデューティー比制御により燃料ガスの供給量を迅速且つ大幅に変化させることができるので、運転状態の変化に対する空燃比設定制御の応答性を良好なものとすることができる。

特許文献１に記載のミキサは、ガス供給路として２つのガス供給路（第１バイパス流路、第２バイパス流路）を備えており、その一方のガス供給路（第１バイパス流路）には開閉弁（第１バイパスバルブ）を設け、他方のガス供給路（第２バイパス流路）には開度調整弁（第２バイパスバルブ）を設けている。
尚、この開閉弁は、上述したようにデューティー比制御が行われる開閉作動弁とは異なり、エンジンに吸気される混合気の空燃比をストイキ範囲内（例えば空気過剰率換算で１．０程度）に設定するストイキ燃焼モードにおいて全開状態とされることで、混合部への燃料ガスの供給量を増加させ、一方、同混合気の空燃比をストイキ範囲よりも希薄なリーン範囲内（例えば空気過剰率換算で１．４〜１．６）内に設定するリーン燃焼モードにおいて全閉状態とされることで、混合部への燃料ガスの供給量を減少させる形態で、エンジンの燃焼モードの切り替えに応じて開閉作動される。

特開２００６−１７００４４号公報 特開２００５−１８０２２８号公報

開度調整弁の開度制御により混合部への燃料ガスの供給量を調整可能な開度調整部を供給量調整手段として設けたミキサでは、その開度調整弁の開度が空燃比に直接関係することから、空燃比を高精度に調整するためには、開度調整弁の応答性を比較的優れたものとする必要がある。更に、空燃比を大幅に変化させるようなエンジンでは、特に最大及び最小の空燃比において一定の調整幅を確保するために、開度調整弁の開度調整幅を比較的広いものとする必要がある。そして、高い応答性と広い開度調整幅を両立する開度調整弁は比較的大型且つ高価なものとなるため、装置全体の大型化及び高コスト化を招くことが懸念される。

一方、開閉作動弁の周期的な開閉作動を行うと共に当該開閉作動のデューティー比制御により混合部への燃料ガスの供給量を調整可能な開閉作動部を供給量調整手段として設けたミキサでは、混合気に対する燃料ガスの供給状態が脈動することから、安定した運転状態を確保することが困難となる。特に、開閉作動弁を閉状態としたときに混合部への燃料ガスの供給が停止するために、一時的に過剰に希薄となった混合気がエンジンに吸気されて、エンジンの回転が停止するストールの要因となる失火が発生するという問題があった。

本発明は、かかる点に着目してなされたものであり、その目的は、簡単且つ合理的な構成を採用しつつ、空燃比を高精度且つ広く調整可能としてエンジンの安定した運転状態を確保することができるミキサを提供する点にある。

この目的を達成するための本発明に係るミキサは、
エンジンの吸気路に配置される混合部と、
前記混合部に燃料ガスを供給するガス供給路と、
前記ガス供給路から前記混合部への燃料ガスの供給量を調整可能な供給量調整手段とを備えたミキサであって、
その第１特徴構成は、
前記ガス供給路として、燃料ガスが連続的に通流する主ガス供給路と、開閉作動弁を設けた副ガス供給路とを、前記混合部に対して並列接続して備え、
前記供給量調整手段として、前記開閉作動弁を周期的に開閉作動させると共に当該開閉作動のデューティー比制御により前記混合部への燃料ガスの供給量を調整可能な開閉作動部を備えた点にある。

上記第１特徴構成によれば、供給量調整手段としての開閉作動部により、混合部に接続された副ガス供給路に設けられた開閉作動弁が周期的に開閉作動されることで、混合部に対して、副ガス供給路から燃料ガスが間欠的に供給されることになるが、それに加えて、副ガス供給路に対して並列状態で混合部に接続された主ガス供給路から燃料ガスが連続的に供給されることになる。よって、吸気路に配置された混合部に対する燃料ガスの供給状態は、上記主ガス供給路からの連続的な燃料ガスの供給により途絶えることがなくなるので、エンジンへ吸気される混合気の空燃比が過剰に燃料希薄状態となることが抑制されるので、失火等を防止することができる。
更には、開閉作動部により、当該開閉作動弁の周期的な開閉作動に対してデューティー比制御が行われることで、副ガス供給路から混合部への燃料ガスの供給量が調整される。よって、吸気路に配置された混合部に対する燃料ガスの供給量は、副ガス供給路における開閉作動弁の周期的な開閉作動におけるデューティー比制御により調整されるので、例えば、従来のようにガス供給路に設けた開度調整弁の開度制御のみで調整する場合と比較して、混合部への燃料ガスの供給量の調整幅を拡大することができる上に、応答性を向上することができる。
従って、本発明により、簡単且つ合理的な構成を採用しつつ、空燃比を高精度且つ広く調整可能としてエンジンの安定した運転状態を確保することができるミキサを実現することができる。

本発明に係るミキサの第２特徴構成は、上記第１特徴構成に加えて、
前記開閉作動部が、前記開閉作動弁を周期的に開閉作動させる開閉作動状態と前記開閉作動弁を閉鎖させる閉鎖状態とに切替可能に構成されている点にある。

上記第２特徴構成によれば、エンジンに吸気される混合気の空燃比をストイキ範囲内に設定するストイキ燃焼モードでエンジンの運転を行う場合には、混合部に接続された副ガス供給路に設けられた開閉作動弁を開閉作動状態として周期的に開閉作動させることで、主ガス供給路と副ガス供給路との両方から混合部を通じて吸気路に燃料ガスを供給して、混合部に対する燃料ガスの供給量を迅速且つ比較的大幅に拡大することができる。一方、エンジンに吸気される混合気の空燃比を前記ストイキ範囲よりも燃料ガスが希薄なリーン範囲内に設定するリーン燃焼モードでエンジンの運転を行う場合には、開閉作動弁を閉鎖状態として副ガス供給路を閉鎖させることで、混合部に対して当該副ガス供給路とは別の主ガス供給路のみから燃料ガスを供給する状態として、混合部に対する燃料ガスの供給量を迅速且つ比較的大幅に絞ることができる。即ち、ストイキ燃焼モードとリーン燃焼モードとの間での燃焼モードの切替時において、開閉作動弁の開閉作動状態と閉鎖状態との切替により、迅速に、混合部を通じて吸気路に供給される燃料ガスの供給量を比較的大幅に変化させることができる。

本発明に係るミキサの第３特徴構成は、上記第１乃至第２特徴構成の何れかに加えて、
前記主ガス供給路に、開度調整可能な開度調整弁を備え、
前記供給量調整手段として、前記開度調整弁の開度制御により前記混合部への燃料ガスの供給量を調整可能な開度調整部を備えた点にある。

上記第３特徴構成によれば、副ガス供給路に設けられた開閉作動弁を閉鎖状態として副ガス供給路を閉鎖させた場合においても、副ガス供給路とは別の主ガス供給路に設けられた開度調整弁の開度制御により、主ガス供給路から混合部を通じて吸気路に供給される燃料ガスの供給量を適宜調整することができる。

本実施形態のミキサを備えたエンジンシステムの概略構成図 ストイキ燃焼モードにおける燃料ガス供給量、開閉作動弁の開閉状態、及び開度調整弁の開度状態の変化を説明する図 リーン燃焼モードにおける燃料ガス供給量、開閉作動弁の開閉状態、及び開度調整弁の開度状態の変化を説明する図

本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。
図１に示すエンジンシステムは、混合気Ｍを気筒３１で圧縮して燃焼させて軸動力を出力するエンジン３０を備えており、このエンジン３０は、天然ガス系都市ガスの燃料ガスＦを利用したレシプロ式ガスエンジンとして構成されている。即ち、エンジン３０は、シリンダの内面とピストンの頂面とで規定される複数の気筒３１を配置してなる多気筒型のエンジンとして構成されており、更に、夫々の気筒３１に接続され空気Ａが導入される吸気路２０と、夫々の気筒３１に接続され当該気筒３１から排ガスＥが排出される排気路４０とが備えられている。また、センサ等の検出結果が入力され、その入力信号に基づいて制御弁などの各種補機を制御して、ガスエンジンの運転を制御するコンピュータからなるエンジンコントロールユニット（以下、ＥＣＵと呼ぶ。）５０（制御手段の一例）が設けられている。
尚、複数の気筒３１の夫々に対して、吸気路２０は、各気筒３１に分岐する複数の吸気ポート２０ｂを有する吸気マニホールド２０ａを介して接続されており、一方、排気路４０は、各気筒３１に分岐する複数の排気ポート４０ｂを有する排気マニホールド４０ａを介して接続されている。

そして、この種のエンジン３０は、各気筒３１において、吸気路２０から吸気した混合気Ｍを、ピストン（図示せず）の上昇により圧縮した状態で点火プラグ（図示省略）にて火花点火して燃焼・膨張させることで、ピストンを押し下げて出力軸３６から軸動力を出力し、燃焼により発生した排ガスＥは、気筒３１から排気路４０に押し出され、外部に排出される。
更に、出力軸３６には、ヒートポンプシステムの圧縮機３５等の回転負荷が接続されており、出力軸３６で出力した軸動力が当該圧縮機３５の駆動源として利用される。

排気路４０には、上流側から順に、排ガスＥの酸素濃度を検出する酸素センサ４２が配置され、この酸素センサ４２の検出情報はＥＣＵ５０に入力される。
一方、吸気路２０には、上流側から順に、吸気路２０を通流する空気Ａに燃料ガスＦを混合して混合気Ｍを形成するミキサ１０と、開度調整により吸気マニホールド２０ａを介して各気筒３１への当該混合気Ｍの吸気量を調整可能なスロットルバルブ２１とが配置されている。また、エンジン３０には、エンジン回転速度を検出する回転速度センサ３４が設けられており、ＥＣＵ５０は、回転速度センサ３４にて検出されるエンジン回転速度が目標回転速度になるように、スロットルバルブ２１の開度を調整して、気筒３１への混合気Ｍの吸気量を調整することにより、エンジン３０の出力を制御する所謂出力制御手段５３として機能する。

ミキサ１０には、吸気路２０に配置される混合部１１と、混合部１１に燃料ガスを供給するガス供給路１２とが設けられており、更に、ガス供給路１２から混合部１１への燃料ガスＦの供給量を調整可能な供給量調整手段１７が設けられている。
混合部１１は、吸気路２０を縮径させたベンチュリ構造を有し、吸気路２０を流通する空気Ａが上記ベンチュリ構造を高速で通過することで圧力低下を発生させ、この圧力低下を利用して、ガス供給路１２から供給された燃料ガスＦを、吸気路２０を流通する空気Ａに供給して、吸気路２０に混合気Ｍを形成するように構成されている。

ガス供給路１２としては、主ガス供給路１２ａと副ガス供給路１２ｂとが、吸気路２０の混合部１１に対して並列接続されている。
主ガス供給路１２ａには開度調整可能なニードル弁などの開度調整弁１５が配置されおり、この開度調整弁１５の開度を制御するアクチュエータからなる開度調整部１６が設けられている。
即ち、この開度調整部１６は、開度調整弁１５の開度制御により主ガス供給路１２ａを介した混合部１１への燃料ガスＦの供給量を調整可能に構成されていることから、ガス供給路１２から混合部１１への燃料ガスの供給量を調整可能な供給量調整手段１７であると言える。
また、この開度調整弁１５は、開度調整が行われるものの、常に開状態が維持されていることから、主ガス供給路１２ａから燃料ガスＦが連続的に供給されることになる。よって、主ガス供給路１２ａから混合部１１への燃料ガスＦの供給状態は、上記主ガス供給路１２ａからの連続的な燃料ガスＦの供給により途絶えることがなくなり、よって、エンジン３０へ吸気される混合気Ｍの空燃比は過剰に燃料希薄状態となることが抑制され、結果、失火等が防止されることになる。

一方、副ガス供給路１２ｂには、全開状態と全閉状態とを交互に繰り返す形態で周期的に開閉作動可能なソレノイド弁などの開閉作動弁１３が配置されており、この開閉作動弁１３を周期的に開閉作動させると共に当該開閉作動のデューティー比を制御するアクチュエータからなる開閉作動部１４が設けられている。開閉作動弁１３の開閉作動のデューティー比とは、図２に示すように、開閉作動弁１３が全閉状態から全開状態に切り替わる開放タイミングから次の開放タイミングまでの時間である開閉周期Ｔｐ（例えば０．０５〜０．５ｓｅｃ）に対する、開閉作動弁１３が全開状態に維持される時間である開時間Ｔｏの割合（Ｔｏ／Ｔｐ）を示す。即ち、この開閉作動部１４は、開閉作動弁１３の開閉作動のデューティー比制御により副ガス供給路１２ｂを介した混合部１１への燃料ガスＦの供給量を調整可能に構成されていることから、ガス供給路１２から混合部１１への燃料ガスの供給量を調整可能な供給量調整手段１７であると言える。尚、この開閉作動弁１３の開閉周期Ｔｐは、当該開閉作動弁１３の応答性や耐久性等を考慮して適宜決定可能であるが、例えば、エンジン３０の吸気行程の発生周期（例えば４サイクルエンジンでは、各気筒のサイクル周期（エンジン回転周期／２）×気筒数で求められる。）の整数倍に設定することができる。
また、この開閉作動部１４は、開閉作動弁１３を周期的に開閉作動させる開閉作動状態と、開閉作動弁１３を閉鎖させる閉鎖状態に切替可能に構成されている。
尚、開閉作動部１４は、ＥＣＵ５０から、開閉作動弁１３の開閉作動の開閉周期Ｔｐと同じ周期を有し、且つ、同開閉作動の開時間Ｔｏと同じパルス幅を有する開閉作動パルス信号の入力を受け付け、この開閉作動パルス信号に基づいて開閉作動弁１３を開閉作動させる。

ＥＣＵ５０は、混合部１１で形成されてエンジン３０に吸気される混合気Ｍの空燃比を制御する空燃比制御手段５１として機能すると共に、混合気Ｍの空燃比を理論空燃比前後のストイキ範囲内（例えば空気過剰率換算で１．０程度）に設定するストイキ燃焼モードと、混合気Ｍの空燃比を当該ストイキ範囲よりも燃料ガスＦが希薄なリーン範囲内（例えば空気過剰率換算で１．４〜１．６）に設定するリーン燃焼モードとの間で、エンジン３０の燃焼モードを切り替える燃焼モード切替手段５２として機能する。

説明を加えると、燃焼モード切替手段５２は、出力制御手段５３により制御されるエンジン３０の出力が所定の設定出力以上の高出力域にある場合には、エンジン３０の燃焼モードをストイキ燃焼モードに切り替え、一方、同エンジン３０の出力が設定出力未満の低出力域にある場合には、エンジン３０の燃焼モードをリーン燃焼モードに切り替える。
そして、ストイキ燃焼モードでは、図２に示すように、燃焼モード切替手段５２は、開度調整部１６を制御して開度調整弁１５を全開状態として、主ガス供給路１２ａから混合部１１への燃料ガスＦの供給量を最大に維持した状態で、開閉作動部１４を制御して開閉作動弁１３を開閉作動状態として、副ガス供給路１２ｂから混合部１１への燃料ガスＦの供給状態を間欠的なものとする。
すると、混合部１１に対する燃料ガスＦの供給量は比較的多い状態で維持されることになる。
更に、このストイキ燃焼モードにおいて、空燃比制御手段５１は、酸素センサ４２にて検出される排ガスＥの酸素濃度がストイキ範囲内の空燃比に応じて設定された濃度（例えば、略ゼロ）になるように燃料ガスＦの供給量を調整すべく、開閉作動部１４による開閉作動弁１３の開閉作動のデューティー比制御を行って、副ガス供給路１２ｂを介した混合部１１への燃料ガスＦの供給量を調整することで、混合部１１で形成される混合気Ｍの空燃比をストイキ範囲内に維持する。

一方、リーン燃焼モードでは、図３に示すように、燃焼モード切替手段５２は、開度調整部１６を制御して開度調整弁１５を開状態として、主ガス供給路１２ａから混合部１１への燃料ガスＦの供給を維持した状態で、開閉作動部１４を制御して開閉作動弁１３を閉鎖状態として、副ガス供給路１２ｂから混合部１１への燃料ガスＦの供給を停止する。
すると、混合部１１に対する燃料ガスＦの供給量は比較的少ない状態で維持されることになる。
更に、このリーン燃焼モードにおいて、空燃比制御手段５１は、酸素センサ４２にて検出される排ガスＥの酸素濃度がリーン範囲内の空燃比に応じて設定されたリーン側目標濃度になるように燃料ガスＦの供給量を調整すべく、開度調整部１６による開度調整弁１５の開度制御を行って、副ガス供給路１２ｂを介した混合部１１への燃料ガスＦの供給量を調整することで、混合部１１で形成される混合気Ｍの空燃比をリーン範囲内に維持する。
そして、このように燃焼モード切替手段５２によりエンジン３０の燃焼モードをストイキ燃焼モードとリーン燃焼モードとの間で切り替えることで、燃焼モードの切替時における開閉作動弁１３の開閉作動状態と閉鎖状態との切替により、迅速に、吸気路２０に配置された混合部１１に供給される燃料ガスＦの供給量が比較的大幅に変化させることができる。

〔その他の実施形態〕
最後に、本発明のその他の実施形態について説明する。尚、以下に説明する各実施形態の構成は、それぞれ単独で適用されるものに限られず、矛盾が生じない限り、他の実施形態の構成と組み合わせて適用することも可能である。
（１）上記実施形態では、主ガス供給路１２ａに開度調整可能な開度調整弁１５を設けたが、主ガス供給路１２ａを介した混合部１１への燃料ガスＦの供給量の調整を行う必要がない場合には、かかる開度調整弁１５を省略しても構わない。

（２）上記実施形態では、開閉作動部１４を、開閉作動弁１３を開閉作動させる開閉作動状態と開閉作動弁１３を閉鎖させる閉鎖状態とに切替可能に構成したが、例えばエンジン３０に吸気される混合気Ｍの空燃比を常にストイキ範囲内に維持する場合には、このような切り替えを行うことなく、開閉作動部１４を常に開閉作動状態とするように構成しても構わない。

（３）上記実施形態では、本発明に係るミキサをエンジンシステムに適用した例を説明したが、例えば、本発明に係るミキサを、ガスタービンや他の燃焼装置に適用しても構わない。

本発明は、エンジンの吸気路に配置される混合部と、
前記混合部に燃料ガスを供給するガス供給路と、
前記ガス供給路から前記混合部への燃料ガスの供給量を調整可能な供給量調整手段とを備えたミキサとして好適に利用可能である。

１０ ：ミキサ
１１ ：混合部
１２ ：ガス供給路
１２ａ ：主ガス供給路
１２ｂ ：副ガス供給路
１３ ：開閉作動弁
１４ ：開閉作動部
１５ ：開度調整弁
１６ ：開度調整部
１７ ：供給量調整手段
２０ ：吸気路
３０ ：エンジン
Ａ ：空気
Ｅ ：排ガス
Ｆ ：燃料ガス
Ｍ ：混合気

Claims (3)

1. エンジンの吸気路に配置される混合部と、
   前記混合部に燃料ガスを供給するガス供給路と、
   前記ガス供給路から前記混合部への燃料ガスの供給量を調整可能な供給量調整手段とを備えたミキサであって、
   前記ガス供給路として、燃料ガスが連続的に通流する主ガス供給路と、開閉作動弁を設けた副ガス供給路とを、前記混合部に対して並列接続して備え、
   前記供給量調整手段として、前記開閉作動弁を周期的に開閉作動させると共に当該開閉作動のデューティー比制御により前記混合部への燃料ガスの供給量を調整可能な開閉作動部を備えたミキサ。
2. 前記開閉作動部が、前記開閉作動弁を周期的に開閉作動させる開閉作動状態と前記開閉作動弁を閉鎖させる閉鎖状態とに切替可能に構成されている請求項１に記載のミキサ。
3. 前記主ガス供給路に、開度調整可能な開度調整弁を備え、
   前記供給量調整手段として、前記開度調整弁の開度制御により前記混合部への燃料ガスの供給量を調整可能な開度調整部を備えた請求項１又は２に記載のミキサ。

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