JP2712552B2

JP2712552B2 - ガスタービン車両の燃料流量制御装置

Info

Publication number: JP2712552B2
Application number: JP12776189A
Authority: JP
Inventors: 恒雄筒井
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1989-05-23
Filing date: 1989-05-23
Publication date: 1998-02-16
Anticipated expiration: 2013-02-16
Also published as: JPH02308927A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明はガスタービン車両の燃料流量制御装置に関
し、特に、ガスタービン車両の減速時に燃料カットを行
うガスタービン車両の燃料流量制御装置に関する。

〔従来の技術〕

二軸式ガスタービン機関は、低振動で連続した高回転
が行える、灯油やメタノールなど多種類の燃料が使用で
きる、自動車に適した低速トルクの大きなトルク特性を
持っている等の特徴を備えているので、近年、自動車用
機関としての実用化が検討されている。

第12図は自動変速機付の自動車に搭載される従来の二
軸式ガスタービン機関GTの一般的な構成の一例を示すも
のである。

図において、Ｃはコンプレッサ、HEは熱交換器、CCは
燃焼器、CTはコンプレッサタービンであり、コンプレッ
サＣとコンプレッサタービンCTとは回転軸にて直結さ
れ、燃焼器CCにはアクチュエータA1を介して燃料が供給
されている。この燃焼器CC内には燃料噴射弁が設けられ
るが、ガスタービン機関に設けられる燃料噴射弁として
は、大容量と小容量の燃料を噴射可能な２噴口型燃料噴
射弁が一般的である。

吸入空気（吸気）はコンプレッサＣにて圧縮され、熱
交換器HEにて加熱され、燃焼器CCにて燃料と混合されて
燃焼し、その燃焼ガスがコンプレッサタービンCTを回転
させる。このコンプレッサタービンCTとコンプレッサＣ
とは総称してガスジェネレータGGと呼ばれることがあ
り、この回転数N₁がコンプレッサＣの圧縮度を左右す
る。コンプレッサタービンCTを駆動した燃焼ガスは、ア
クチュエータA2に調整される可変ノズルVNを経てパワー
（出力）タービンPTを駆動した後、熱交換器HEにて廃熱
回収されて大気に排出される。パワータービンPTの回転
は減速歯車R/Gによって減速されて自動変速機A/Tに伝え
られ、シフト状態に応じた回転数に変換された後に差動
歯車Ｄを介して車輪Ｗに伝達される。

なお、アクチュエータA1,A2を駆動する制御回路CONT
には、アクセルペダルの開度や図示しないセンサからの
機関の運転状態パラメータが入力されており、制御回路
CONTは機関の運転状態に応じてアクチュエータA1,A2を
介して燃料流量及び可変ノズルVNの開度を調整する。

また、一般に、第12図のの位置の吸気圧をP₃、の位置の温度をT₄というように、吸気圧Ｐや温度Ｔ
に付された添え字は、○で囲まれた番号の位置の吸気圧
Ｐや温度Ｔを示し、ガスジェネレータGGの回転軸の回転
数がN₁、減速歯車R/Gを経たパワータービンPTの出力軸
の回転数がN₃で表わされる。

以上のように構成された二軸式ガスタービン機関の中
には、ガスジェネレータGGの減速時にレシプロ式の内燃
機関同様に燃料のカットを実行して燃費を稼ぐようにし
たものがある。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、従来のガスタービン車両の燃料カットは、
ガスタービン車両が減速運転に入ると、ガスタービン機
関の任意の運転状態から燃料カットを行っていたので、
大流量からの燃料カット時に燃料噴射弁に燃料が残って
しまい、この残留燃料が燃焼器CCの熱により炭化してス
ラッジ状になって燃料噴射弁に詰まり（コーキング）を
生じるという問題が生じていた。

本発明の目的は、大容量と小容量の燃料を噴射可能な
２噴口型燃料噴射弁を備えたガスタービン機関を搭載
し、減速時に燃料カットを行うガスタービン車両におい
て、車両の減速を検出して燃料をカットする時に燃料が
噴射弁内に残ることがなく、コーキングによる燃料噴射
弁の詰まりが発生することのないガスタービン車両の燃
料流量制御装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

前記目的を達成する本発明のガスタービン車両の燃料
流量制御装置は、大容量と小容量の燃料を噴射させる２
噴口型燃料供給装置を備えたガスタービン車両の燃料流
量制御装置であって、第１図に示すように、車両の減速
状態を検出する減速検出手段と、車両の減速時に時間を
計数する減速時間計数手段と、減速検出時点から所定の
時間だけ小容量の燃料を噴射させる減速時燃料噴射手段
と、減速検出時点から前記所定の時間が経過した時に全
燃料の供給を停止する燃料供給停止手段とを備えてい
る。

〔作用〕

本発明のガスタービン車両の燃料流量制御装置によれ
ば、車両の減速状態が検出されると、減速時点からの時
間が計数され、所定時間が経過するまでは小容量の燃料
が燃料噴射弁から噴射され、この所定の時間が経過する
と、燃料噴射弁からの全燃料がカットされる。

〔実施例〕

以下添付図面を用いて本発明の実施例を詳細に説明す
る。

第２図は自動変速機付きガスタービン車両に搭載され
た本発明の燃料流量制御装置の一実施例の構成を示すも
のであり、第12図に示した二軸式ガスタービン機関と同
じ構成部品については同じ符号（記号）を付してある。

図においてGTはガスタービンであり、このガスタービ
ンGTには燃料ポンプ，オイルポンプ，スタータモータ等
が接続するフロントギヤF/G、回転軸が直結されてガス
ジェネレータGGを構成するコンプレッサＣとコンプレッ
サタービンCT、熱交換器HE、燃焼器CC、コンプレッサＣ
に可変ノズルVN、パワータービンPT及び減速歯車R/G等
がある。吸気はコンプレッサＣにて圧縮され、熱交換器
HEにて加熱され、燃焼器CCにて燃料噴射弁から噴射され
る燃料と混合されて燃焼し、その燃焼ガスがコンプレッ
サタービンCTを回転させる。尚、本発明では燃焼器CCに
設けられる燃料噴射弁は２噴孔型であることが必要であ
る。コンプレッサタービンCTを駆動した燃焼ガスは、可
変ノズルVNを経てパワータービンPTを駆動した後、熱交
換器HEにて廃熱回収されて大気に排出される。A1は燃焼
器CCに燃料を供給するアクチュエータであり、メータリ
ングバルブを内蔵している。また、A2は可変ノズルVNの
開度α_ｓを調整するアクチュエータである。

ガスタービンGTの減速歯車R/Gには自動変速機A/Tが接
続されており、ガスタービンGTのパワータービンPTの回
転は減速歯車R/Gによって減速されて自動変速機A/Tに内
蔵されるトルクコンバータを介して変速機構に伝えら
れ、シフト状態に応じた回転数に変換されて車軸駆動出
力となる。

ガスタービンGTおよび自動変速機A/Tを制御する制御
回路10には、アナログ信号用の入力インタフェースIN
a、デジタル信号用の入力インタフェースINd、入力イン
タフェースINaからの信号をデジタル変換するアナログ
−デジタル変換器A/D、中央処理ユニットCPU、ランダム
アクセスメモリRAM、読み出し専用メモリROM、および出
力回路OUT等があり、それぞれバスライン11で接続され
ている。

また、二軸式ガスタービン機関にはガスジェネレータ
GGの回転数N₁を検出する回転数センサSN₁,減速歯車R/G
を経たガスタービンGTの回転数N₃を検出する回転数セン
サSN₃,及び車軸駆動回転数N_Pを検出する回転数センサSN
_Pのような回転数センサと、大気温度を検出する温度セ
ンサST₀,コンプレッサＣの出力温度T₃を検出する温度セ
ンサST₃,熱交換器HEの出力温度T₃₅を検出する温度セン
サST₃₅,パワータービンPTの出力温度T₆を検出する温度
センサST₆のような温度センサと、コンプレッサＣの出
口圧力P₃を検出する圧力センサSP₃,コンプレッサタービ
ンCTの出口圧力P₅を検出する圧力センサSP₅のような圧
力センサ等が設けられている。

アナログ信号用の入力インタフェースINaには、前述
のセンサからの信号N₁,N₃,N_P,P₃,P₅,T₀,T₃₅,T₆やアクセ
ルペダルからのアナログ信号θ_acc等が入力され、デジ
タル信号用の入力インタフェースINdにはキースイッチ
からのオンオフ信号、シフトレバーからのシフト位置信
号、ブレーキからのブレーキ信号等のデジタル信号が入
力される。

一方、出力回路OUTからは、燃焼器CCのアクチュエー
タA1に対して燃料流量を指示する信号Gf、アクチュエー
タA2に対して可変ノズルVNの開度を指示する信号α_S,ト
ルクコンバータのロックアップクラッチのオンオフを指
示する信号S₃、変速機構の変速信号S₁,S₂やスロットル
ワイヤ信号θ_ｗ等が出力される。

第３図及び第４図は燃焼器CCに設けられる２噴孔型燃
料噴射弁の構造の一例を示すものであり、この噴射弁は
本出願人により提案された実開昭63−164528号公報にそ
の詳細が示されているものである。図において、１は渦
巻燃料噴射弁を示しており、２はその本体ボディを示し
ている。燃料は図示しない燃料ポンプで要求に応じて圧
力に昇圧され、燃料アクチュエータにより計算された後
に燃料ホースを介して本体ボディ２に取り付けられた取
付ニップル３に送られてくる。

取付ニップル３から渦巻燃料噴射弁１に送られてきた
燃料はフィルタ４を通って送給通路５に入り、その燃料
の圧力でチェック弁９を開いて凹部６に進入する。燃料
噴射量が少なく、燃料圧力が低い時には開閉弁25は開か
ず、燃料は凹部６内の隙間27を通って第１の燃料通路13
のみに送られ、１次側チップ16の渦室37に旋回流が与え
られて噴射状態で噴孔15から燃焼器CC内に噴射される。
この噴射は小容量であり、機関の軽負荷時に行われる。
一方、燃料噴射量が多くなり、燃料圧力が一定圧より高
い時には開閉弁25は開弁し、前述の噴射経路の他に燃料
は、燃料通路30から第２の燃料通路14、燃料通路31、環
状通路32、を通って２次側チップ18にも送られ、２次側
チップ18の渦室41において旋回流を与えられて噴孔17か
ら燃焼器CC内に噴射される。この噴射は大容量であり、
この大容量の噴射は前述の小容量の噴射と同時に行われ
る。

なお、第３図において20は２次側バルブシート23、セ
パレータ24、１次側チップ16、及び２次側チップを本体
ボディ２に取り付けるための締結手段、43はシュラウド
カバーを示しており、第４図において、36は燃料通路、
37は渦室、38はスリット状通路、39は貫通孔を示してい
る。

次に以上のように構成された実施例のガスタービン車
両の燃料流量制御装置の制御回路10の燃料カットの制御
手順を第５図から第10図を用いて説明する。

第５図はアクセルが定常オフ状態、即ち、継続してア
クセルがオフされた状態になったか否かを検出するルー
チンを示している。ステップ501ではまず、アクセル開
度θが所定開度以下か否かが判定される。例えば、アク
セル開度が0V〜10Vの範囲で変化するとすると、θ≧0.2
Vか否かが判定される。そして、θ≦0.2Vの時はステッ
プ502に進んでアクセルオフフラグAOFFが“1"にされ、
θ＞0.2Vの時はステップ503に進んでアクセルオフフラ
グAOFFが“0"にされる。続くステップ504ではアクセル
オフフラグAOFFが“1"か否かが判定され、AOFF＝“0"の
時（NO）はステップ507に進んでアクセル定常オフフラ
グATJOFFが“0"にされる。一方、ステップ504でAOFF＝
“1"と判定された時（YES）はステップ505に進み、アク
セルオフフラグAOFFが“1"に変化してからの時間が所定
時間T₁を経過したか否かが判定される。そして、アクセ
ルオフフラグAOFFが“1"に変化してからの時間が所定時
間T₁に満たない時はステップ507に進んでアクセル定常
オフフラグATJOFFが“0"にされるが、アクセルオフフラ
グAOFFが“1"に変化してからの時間が所定時間T₁を経過
した時はステップ506に進んでアクセル定常オフフラグA
TJOFFが“1"にされる。

ここで以上の制御を第６図を用いて説明する。今、車
両が減速状態に入って、アクセル開度θが第６図（ａ）
に示すように時刻t₁にて0.2を下回り、時刻t₁から所定
時間T₁に満たない時間内の時刻t₂に再びアクセル開度θ
が0.2を上回り、時刻t₃に再度アクセル開度θが0.2を下
回って以後この状態が続いた場合を想定すると、この時
のアクセルオフフラグAOFFとアクセル定常オフフラグAT
JOFFは第６図（ｂ），（ｃ）に示すようになる。即ち、
アクセルオフフラグAOFFは時刻t₁にてハイレベル“1"に
なり、時刻t₂でアクセル開度θが0.2を上回った時にロ
ーレベル“0"になり、時刻t₃で再度アクセル開度θが0.
2を下回った以後はハイレベル“1"を保持する。一方、
アクセル定常オフフラグATJOFFは、時刻t₁でアクセルオ
フフラグAOFFがハイレベル“1"になるが、アクセルオフ
フラグAOFFの継続時間がこの時は所定時間T₁に満たない
ので、ハイレベル“1"には変化せず、時刻t₃でアクセル
開度θが0.2を上回ってアクセルオフフラグAOFFがハイ
レベル“1"になり、アクセルオフフラグAOFFがハイレベ
ル“1"である時間が所定時間T₁を越えた時に始めてハイ
レベル“1"に変化する。

第７図は燃料カットルーチンを示すものであり、第５
図のルーチンの直後に実行されるものである。ステップ
701では現在のガスジェネレータGGの回転数N₁とガスジ
ェネレータGGの目標回転数N_1SETとの差ΔN₁が演算され
る。続くステップ702では減速ラインGfdと比例制御ライ
ンGflinとが比較され、Gfd≦Gflinの時（NO）は定常運
転中を示すのでこのルーチンを終了し、Gfd＞Gflinの時
（YES）は車両の減速状態を示すのでステップ703に進
む。

ここで、ステップ703以降の説明に入る前にこの比例
制御ラインGflinについて簡単に説明する。比例制御ラ
インGflinは式、Gflin＝ｆ（θ）で示されるようにアク
セル開度θの関数であり、車両の定常走行中は第８図
（ａ）に示すように回転数N₁と燃料流量Gfの関係を示す
線図の右側の方に位置している。このような車両の定常
走行中は車両の燃料流量は比例制御ラインGflin上にあ
り、例えば、車両の燃料流量がGfaであるとすると、こ
の時の比例制御ラインGflin上の点Ａから機関回転数N₁
＝N_1SETとなる。この状態から車両が減速すると、アク
セル開度θが小さくなるので、比例制御ラインGflinは
第８図（ｂ）に示すように回転数N₁と燃料流量Gfの関係
を示す線図の左側に移行する。従って、減速ラインGfd
と比例制御ラインGflinとの大小関係を判定することに
より、回転数N₁の時の減速状態を知ることができる。

このようにして減速状態が判定されると、第７図の制
御はステップ703に進み、ここでは目標回転数N_1SETが、
機関の自動変速器A/Tのシフト位置がドライブレンジの
時のアイドル回転数IDLDに2000rpm加えた回転数よりも
小さいか否かが判定され、N_1SET≧IDLD＋2000の時（N
O）はこのルーチンを終了するが、N_1SET＜IDLD＋2000の
時（YES）はステップ704に進んで自動変速器A/Tのシフ
ト位置がＮ（ニュートラル）か否かが判定される。そし
て、自動変速器A/Tのシフト位置がＮの時（YES）はこの
ルーチンを終了するが、自動変速器A/Tのシフト位置が
Ｎ以外の時（NO）はステップ705に進む。

ステップ705ではガスジェネレータGGの回転数N₁とガ
スジェネレータGGの目標回転数N_1SETとの差ΔN₁がある
回転数、例えば2000rpmよりも小さいか否かが判定さ
れ、ΔN₁＜2000の時（YES）はステップ706に進んでガス
ジェネレータGGの回転数N₁が目標回転数N_1SETに近づい
たというフラグGFOKが“1"にされ、燃料カットが行われ
ずにこのルーチンを終了するが、ΔN₁≧2000の時（NO）
はステップ707に進み、ガスジェネレータGGの回転数N₁
とガスジェネレータGGの目標回転数N_1SETとの差ΔN₁が
ある回転数、例えば7000rpmよりも大きいか否かが判定
される。そして、ΔN₁＞7000rpmより大きい時（YES）は
ステップ708に進み、ΔN₁≦7000rpmの時（NO）はステッ
プ711に進む。

ステップ708ではアクセル開度θが時間T₁を越えて所
定開度0.2以下の時にハイレベル“1"となる前述のアク
セル定常オフフラグATJOFFが“0"が否かが判定され、AT
JOFF＝“0"の時（YES）はステップ710に進み、ATJOFF＝
“1"の時（NO）はステップ709に進んで減量ラインGfd＝
０として燃料カットを行なってからステップ710に進
む。そして、ステップ710ではガスジェネレータGGの回
転数N₁が目標回転数N_1SETに近づいた時に“1"にされる
フラグGFOKを“0"にしてこのルーチンを終了する。

一方、ステップ707でNOとなって進むステップ711で
は、前述のフラグGFOKが“1"か否かが判定され、GFOK＝
“0"の時（NO）はこのルーチンを終了し、GFOK＝“1"の
時（YES）はステップ712に進んで減量ラインGfd＝０と
して燃料カットを行なってからこのルーチンを終了す
る。なお、このフラグGFOKは後述する再着火燃料を噴射
するタイミングフラグでもあり、再着火後のガスジェネ
レータGGの回転N₁が上昇してもGFOK＜7000rpmの範囲内
であれば再度燃料カットしない為のヒステリシス特性を
持ったフラグである。

以上の手順により、この実施例ではガスジェネレータ
GGの回転数N₁とガスジェネレータGGの目標回転数N_1SET
との差ΔN₁の大きさにより、次のような条件で燃料カッ
トが行われる。

（１） 2000rpm≦ΔN₁≦7000rpm且つGFOK＝“1" （２） ΔN₁＞7000rpm且つATJOFF＝“1" 第９図は再着火燃料噴射ルーチンを示すものであり、
第７図の燃料カットルーチンの後で行われるものであ
る。この実施例では再着火時には減速ラインGfd上の燃
料に所定増量ΔGfを加えた燃料を再着火燃料とし、これ
をある時間TIME1だけ噴射するようにしている。これを
具体的に説明すると、まず、ステップ901では再着火燃
料噴射時間TIME1の読込が行われる。この再着火燃料噴
射時間は固定値であり、第２図のRAMに格納されている
値が読み出される。続くステップ902では再着火燃料を
噴射するタイミングフラグであるGFOKが“1"が否かが判
定される。GFUP＝“0"の時（NO）はステップ906に進
み、ここで増量フラグGFOKが“1"にされた後ステップ90
7にて再着火燃料に必要な燃料の増量分ΔGfdが演算され
る。一方、ステップ902においてGFOK＝“1"の時（YES）
はステップ903に進み、ここでフラグGFOKが“1"に変化
してからの時間が所定時間T₂を経過したが否かが判定さ
れる。そして、フラグGFOKが“1"に変化してからの時間
が所定時間T₂に満たない時はステップ906に進み、フラ
グGFOKが“1"に変化してからの時間が所定時間T₂を経過
した時はステップ904に進む。ステップ904では増量フラ
グGFUPが“0"にされた後ステップ905にて再着火燃料に
必要な燃料の増量分ΔGfが０にされる。このフラグGFOK
とフラグGFUPの関係は第10図のようになる。

ステップ905またはステップ907が終了するとステップ
903に進み、ここで減量ラインGfdに再着火燃料の増量分
ΔGfdが加算される。そして、ステップ909で再び減速ラ
インGfdと比例制御ラインGflinとが比較され、Gfd≦Gfl
inの時（NO）は定常運転中を示すのでステップ911に進
んで最終燃料噴射量Gflstが比例制御ラインGflinと置か
れ、Gfd＞Gflinの時（YES）は車両の減速状態を示すの
でステップ910に進んで最終燃料噴射量Gflstが減量ライ
ンGfdと置かれる。

第11図は以上説明した第５図、第７図、及び第９図の
燃料カット及び再燃料噴射の動作を示す線図であり、こ
の図には燃料カットが行われる運転状態のと、燃料カ
ットが行われない運転状態とが示されている。

燃料カットが行われない場合は、ガスジェネレータ
GGの回転数N₁が目標回転数N_1SETに近い場合（ステップ7
05のΔN₁＜2000の場合）であり、この場合は車両が減速
を行うと、燃料はカットされずに減速ラインGfd上を
−１で示すように燃料が噴射され、その後に比例制御ラ
インGflinに移る。この時の第９図における流れは、ス
テップ901,903でYESとなり、ステップ904→ステップ905
→ステップ908と進んでステップ909でもYESとなって910
に進む流れである。

一方、燃料カットが行われる場合は、燃料のカット
が行われる前に、減量ラインGfd上を−１で示すよう
に燃料が時間T₁の間だけ噴射される。この時は燃料噴射
弁の小噴孔のみから燃料が噴射されることになる。その
後燃料が−２で示すようにカットされ、燃料増量フラ
グGFUPの立ち上がりエッジのタイミング再着火に要する
燃料が−３で示すように時間TIMI1の間だけ噴射さ
れ、その後に比例制御ラインGflinに移る。

以下に前述の第11図の−１、−２、−３の各場
合の制御の流れを第５図、第７図、及び第９図のステッ
プ番号を用いて示す。

（Ａ）−１の場合の制御の流れステップ501→502→504→505→507→701→702→703→
704→705→707→708→710→901→902→906→907→908→
909→910 （Ｂ）−２の場合の制御の流れステップ501→502→504→505→506→701→702→703→
704→705→707→708→710→901→902→906→907→908→
909→910 （Ｃ）−３の場合の制御の流れステップ501→502→504→505→506→701→702→703→
704→705→706→901→902→903→906→907→908→909→
910 〔発明の効果〕以上説明したように、本発明のガスタービン車両の燃
料流量制御装置によれば、大容量と小容量の燃料を噴射
可能な２噴口型燃料噴射弁を備えたガスタービン機関を
搭載し、減速時に燃料カットを行うガスタービン車両に
おいて、車両の減速状態が検出されると、減速時点から
の時間が計数され、所定時間が経過するまでは小容量の
燃料が燃料噴射弁から噴射され、この所定の時間が経過
すると、燃料噴射弁からの全燃料がカットされるので、
燃料カット時に燃料が噴射弁内に残ることがなく、コー
キングによる燃料噴射弁の詰まりが発生することがな
く、機関の信頼性が向上するという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のガスタービン車両の燃料流量制御装置
の構成を示す原理図、第２図は本発明のガスタービン車
両の燃料流量制御装置の全体構成図、第３図は第２図の
燃焼器に設けられた２噴孔型燃料噴射弁の構成を示す縦
断面図、第４図は第３図の噴射弁の底面図、第５図、第
７図、及び第９図は第２図の制御回路の制御手順を示す
フローチャート、第６図は第５図のフローチャートの動
作を示す波形図、第８図は第７図のフローチャートの動
作を説明する説明図、第10図は第９図の動作を説明する
説明図、第11図は第５図、第７図、及び第９図のフロー
チャートの動作を示す線図、第12図は従来のガスタービ
ン機関の構成を示す構成図である。１……燃料噴射弁本体、９……チェック弁、10……制御
回路、13……第１の燃料通路、14……第２の燃料通路、
15……噴孔、17……噴孔、25……開閉弁、Ｃ……コンプ
レッサ、CC……燃焼器、CT……コンプレッサタービン、
HE……熱交換機、PT……パワータービン、SN₁……回転
数センサ、VN……可変ノズル。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】大容量と小容量の燃料を噴射させる２噴口
型燃料供給装置を備えたガスタービン車両の燃料流量制
御装置であって、車両の減速状態を検出する減速検出手段と、車両の減速時に時間を計数する減速時間計数手段と、減速検出時点から所定の時間だけ小容量の燃料を噴射さ
せる減速時燃料噴射手段と、減速検出時点から前記所定の時間が経過した時に全燃料
の供給を停止する燃料供給停止手段と、を備えたことを特徴とするガスタービン車両の燃料流量
制御装置。