JP2016075166A - ガスエンジンのガス弁動作制御方法及びガスエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼室内の着火装置近傍の燃料ガスと空気の混合状態を一定に揃えて、燃焼開始時期や燃焼伝搬速度を均一化し、燃焼を安定化して、エンジン効率を向上させる。
【解決手段】エンジン回転と同期して燃料ガスを燃焼室５に供給するためのガス弁１０を、ガバナ２１により電気的に開閉するようにしたガスエンジン２の動作制御において、ガス弁１０を閉じて燃焼室５への燃料投入を終了する時期を着火前の所定のクランク角度とし、ガス弁１０を開いて燃焼室５への燃料投入を開始する時期（ガス弁開時期）を前記所定のクランク角度から逆算して、燃料投入期間（ガス弁開保持期間）を決定する。
【選択図】図５

Description

本発明は、ガスエンジンのガス弁動作制御方法及びガスエンジンに係り、特に、燃焼室内の着火装置近傍の燃料ガスと空気の混合状態を一定に揃えて燃焼を安定化し、燃焼開始時期や燃焼伝搬速度を均一化することによりエンジン効率を向上させることが可能な、ガスエンジンのガス弁動作制御方法及びガスエンジンに関する。

例えば発電用に用いられているガスエンジンに燃料ガスを供給する装置として、特許文献１には、吸気通路内で燃料ガスと空気の混合を均一にし、その均一な混合気を燃焼室に吹き込むことで、混合気の不均一分布に伴う窒素酸化物発生量の増加や、局部的な濃混合気の形成に伴うノッキングの発生を防ぐ技術が記載されている。

このようなガスエンジン、特に中型、大型のガスエンジンにおいては、ガバナにより電気的に開閉するようにした電気式の燃料ガス供給弁（以下、単にガス弁とも称する）を用いて調速する制御が一般的になっている。

一般的な調速制御による燃料供給は、吸気工程においてガス弁開指令を出し、ガバナにより算出された必要なガス量を供給する期間を保持した後、ガス弁閉指令を出して燃料ガスの供給を止めるというものである。

具体的には図１に一般的な調速プロセスを例示する如く、まず、エンジン回転の設定回転に対する変動量を計測し（ステップ１００）、次いで、エンジン回転を設定回転に保つためのガス供給量を計算してガス弁開保持期間を決定し（ステップ１１０）、次いで、所定のガス投入開始時期からガス弁開保持期間に渡りガス弁を開いて（ステップ１２０）、最初のステップ１００に戻るようにされている。

特開２００８−１３８５６５号公報

図２に示す如く、このようなガスエンジンにおけるガス弁１０を用いた通常の燃焼混合気の供給は、吸気カム（図示省略）による吸気弁６の弁棒６ａの開閉により行われる。即ち、吸気管の吸気ポート７より供給される空気と弁棒６ａの手前に配置されたガス弁１０より供給される燃料ガスが、吸入行程の吸気カムによる弁棒６ａの開閉タイミングで、シリンダ内の燃焼室５へ供給される。図において、４はピストン、８は排気弁、９は排気ポート、１５は点火プラグである。

通常、設定されたエンジン回転数で一定負荷（出力）の運転でも、レシプロ機関であるため、僅かな回転変動があり、これを修正し、設定された回転数にするため、ガバナはガス弁１０に対して適切な時間間隔でガス弁開時期とガス弁閉時期の指令値を修正している。図３に示すように、従来、ガス弁開時期とガス弁閉時期に対する連続する指令値Ｃ_n-2、Ｃ_n-1、・・・、Ｃ_n+2は、ガス弁開時期を一定としてガス弁開保持期間を修正していたため、ガス弁閉時期から点火時期までの期間が変化せざるを得なかった。

元々、ガスエンジンでは、ガス燃料の粘性と空気の粘性の違いなどにより、燃料と空気の混合気Ｍが均一に混合されず、そのままの状態で圧縮されることになるため、このガス弁閉時期から点火時期までの期間が変化することによって、点火プラグ１５近傍の空気過剰率λが安定しない。

即ち、ガバナによるガス弁開時期とガス弁閉時期に対する指令値は増減変化するため、一般的な調速制御では、図３に示した如く、ガス弁１０閉によるガスの供給終わり（ガス弁閉時期）から点火プラグ１５への着火指令による点火時期までの期間にばらつきが生じ、点火プラグ１５近傍のガスＭの混合状態が一定にならないため、燃焼開始時期や燃焼伝搬速度が均一化されないという問題点を有していた。

本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、燃焼室内の着火装置近傍の燃料ガスと空気の混合状態を一定に揃えることにより、燃焼を安定化してエンジンの効率を向上することを課題とする。

本発明は、エンジン回転と同期して燃料ガスを燃焼室に供給するためのガス弁を、ガバナにより電気的に開閉するようにしたガスエンジンにおいて、ガス弁を閉じて燃焼室への燃料投入を終了する時期を着火前の所定のクランク角度とし、ガス弁を開いて燃焼室への燃料投入を開始する時期（ガス弁開時期とも称する）を前記所定のクランク角度から逆算して、燃料投入期間（ガス弁開保持期間とも称する）を決定することにより、前記課題を解決したものである。

ここで、前記所定のクランク角度を、エンジン運転状態に応じて変えることができる。

本発明は、又、エンジン回転と同期して燃料ガスを燃焼室に供給するためのガス弁を、ガバナにより電気的に開閉するようにしたガスエンジンにおいて、ガス弁を閉じて燃焼室への燃料投入を終了する時期を着火前の所定のクランク角度とし、ガス弁を開いて燃焼室への燃料投入を開始する時期を前記所定のクランク角度から逆算して、燃料投入期間を決定する手段を備えたことを特徴とするガスエンジンを提供するものである。

ここで、前記所定のクランク角度を、エンジン運転状態に応じて変える手段を備えることができる。

本発明によれば、設定されたエンジン回転数で負荷が一定の場合のようにエンジン運転状態が一定の時は、調速時のガス燃料供給終わりから着火までの期間を一定化し、燃焼室内の着火装置近傍の燃料ガスと空気の混合状態を一定に揃えることができる。従って、燃焼開始時期や燃焼伝搬速度を均一化し、レシプロ機関で不可避な混合ガスのばらつきによる僅かな回転変動を防ぎ、燃焼を安定化して、エンジン効率を向上させることができる。

なお、設定されたエンジン回転数や負荷等のエンジン運転状態が変化した時は、これに合わせて前記所定のクランク角度を変えて、対応させることができる。

従来のガスエンジンの調整プロセスを示す流れ図 同じくガス弁閉時期の違いによる混合ガスのばらつきを示す断面図 同じく従来の問題点を説明するための図 本発明が適用されるガスエンジンの一例の全体構成を示す、一部断面図を含むブロック線図 本発明の実施形態における調速プロセスを示す流れ図 同じく燃料投入期間を示す図 同じく作用を示す断面図

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態及び実施例に記載した内容により限定されるものではない。又、以下に記載した実施形態及び実施例における構成要件には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。更に、以下に記載した実施形態及び実施例で開示した構成要素は適宜組み合わせてもよいし、適宜選択して用いてもよい。

まず、図４を参照して、本発明が適用されるガスエンジンの一例の全体構成を説明する。

図４に示すように、ガスエンジン２は、天然ガスや都市ガスなど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、発電設備の原動機などとして使用されている。図４では、ガスエンジン２の気筒（シリンダとも称する）３の一つを代表して示すが、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（図では上下動）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（図示省略）と連結されている。気筒３内におけるピストン４の上方は燃焼室５とされている。燃焼室５には、吸気弁６を介して吸気ポート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。吸気ポート７内にはガス燃料を噴射する燃料ガス供給弁（単にガス弁とも称する）１０が設けられている。また、燃焼室５には、混合気Ｍに点火して燃焼させるための点火プラグ１５が設けられている。なお、図４は単室式の例であるが副室式でもよく、着火方式も点火プラグ式に限定されない。

このガスエンジン２によれば、吸入行程において、燃焼室５には吸気ポート７から空気とガス弁１０が噴射するガス燃料とを含む混合気が供給される。圧縮行程において燃焼室５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混合気Ｍが着火・燃焼される。これによりピストン４が下動する（膨張（爆発とも称する）行程）。そして、排気行程において、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。

ガスエンジン２は前記吸入→圧縮→膨張（爆発）→排気の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４が２往復し、クランク軸が２回転する。そして、１サイクルの間におけるピストン４の位置、又は、クランク軸の回転角（クランク角度）がガスエンジン２の位相角として扱われる。

主制御装置２０は、ガス弁１０を駆動するガバナ２１に接続され、このガバナ２１に指令信号を出力してガス弁１０を駆動制御する。また、主制御装置２０は、点火プラグ１５を作動させ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の作動を制御し、これにより混合気Ｍの着火タイミングを制御する。なお、ガス弁１０及び点火プラグ１５の作動の制御は、それぞれの気筒３ごとに独立して行われる。

主制御装置２０には、出力や位相角検知装置２３出力の位相角などが入力されるようになっている。又、ガバナ２１は、ガス燃料の噴射圧力が吸気圧よりも所定値以上大きくなるように調整し、これにより電磁弁であるガス弁１０は吸気圧の大小に関わらず安定した開閉動作が行われる。

このようなガスエンジンにおいて、燃焼室５内の燃料ガス／空気の混合を良くすることは効率向上のために必要なことである。

そこで、本発明の実施形態においては、図１に示した設定されたエンジン回転数で一定負荷（出力）運転に対する一般の調速プロセスにおいて、図５に示す如く、更に、ステップ１１０の後に、ステップ１１０で計算されたガス弁開保持期間を用いて、所定のクランク角度であるガス弁１０によるガス投入終了時期と点火時期との期間を同一に保つためのガス投入開始時期を計算するステップ２１０を加え、その後のステップ２２０で、ステップ２１０で計算されたガス投入開始時期からガス弁開保持期間に渡りガス弁１０を開くようにしたものである。

このようにして、図６に例示する如く、ガス弁開時期とガス弁閉時期に対する連続する指令値Ｃ_n-2、Ｃ_n-1、・・・、Ｃ_n+2で変化するガス燃料供給で、ガス弁１０閉による燃料供給終わり（ガス弁閉時期）から、吸気カムによる混合気供給終わりまでの期間、ひいては、点火プラグ１５への着火指令による点火時期までの期間を同一に保つことで、点火プラグ１５近傍の混合気Ｍの空気とガスの層（空気過剰率分布）を、図７に例示する如く常に同一条件に揃えることができ、燃焼開始時期や燃焼伝搬速度を均一にし、各サイクル毎の各シリンダの燃焼の均一化を計ることが可能となる。

なお、設定されたエンジン回転数や負荷等のエンジン運転状態が変化した時は、これに合わせて前記所定のクランク角度を変えて、対応させることができる。

本発明の燃焼サイクルの均一化による効果確認のため、３気筒、排気量１８８．５リットルのテストエンジンを用いて、従来方式と本発明によるエンジン熱効率を計測した。出力１８００ｋｗ（１００％）のテストエンジンにおいて、従来技術ではエンジン軸端の熱効率が４８％であったのが、本発明によれば、４８．９％と約１％効率を向上できることが確認できた。

なお、前記実施形態においては、本発明が、点火プラグ１５を備えたエンジンに適用されていたが、点火プラグ１５の代わりにパイロット噴射方式やグロープラグ等の他の着火装置を備えたエンジンにも適用できる。又、副燃焼室や過給機を備えたエンジンにも同様に適用できる。

２…ガスエンジン
３…気筒（シリンダ）
４…ピストン
５…燃焼室
６…吸気弁
７…吸気ポート
８…排気弁
９…排気ポート
１０…（燃料）ガス（供給）弁
２０…主制御装置
２１…ガバナ
Ｍ…混合気

Claims (4)

1. エンジン回転と同期して燃料ガスを燃焼室に供給するためのガス弁を、ガバナにより電気的に開閉するようにしたガスエンジンにおいて、
   ガス弁を閉じて燃焼室への燃料投入を終了する時期を着火前の所定のクランク角度とし、ガス弁を開いて燃焼室への燃料投入を開始する時期を前記所定のクランク角度から逆算して、燃料投入期間を決定することを特徴とするガスエンジンのガス弁動作制御方法。
2. 前記所定のクランク角度を、エンジン運転状態に応じて変えることを特徴とする請求項１に記載のガスエンジンのガス弁動作制御方法。
3. エンジン回転と同期して燃料ガスを燃焼室に供給するためのガス弁を、ガバナにより電気的に開閉するようにしたガスエンジンにおいて、
   ガス弁を閉じて燃焼室への燃料投入を終了する時期を着火前の所定のクランク角度とし、ガス弁を開いて燃焼室への燃料投入を開始する時期を前記所定のクランク角度から逆算して、燃料投入期間を決定する手段を備えたことを特徴とするガスエンジン。
4. 前記所定のクランク角度を、エンジン運転状態に応じて変える手段を備えたことを特徴とする請求項３に記載のガスエンジン。

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