JP3311814B2

JP3311814B2 - エンジンの失火検出装置

Info

Publication number: JP3311814B2
Application number: JP12805593A
Authority: JP
Inventors: 好晴伊藤; 忠雄角田
Original assignee: Toho Gas Co Ltd
Current assignee: Toho Gas Co Ltd
Priority date: 1993-04-30
Filing date: 1993-04-30
Publication date: 2002-08-05
Anticipated expiration: 2017-08-05
Also published as: JPH06317215A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、天然ガス等の都市ガス
を利用して発電等を行うガス・コージェネレーションに
使用されるエンジンに関し、さらに詳細には、エンジン
に供給されたガスが燃焼しない（いわゆる失火）トラブ
ルの状態を検出するエンジンの失火検出装置に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】近年、発電設備で発生する熱エネルギを
有効に利用することを目的として、都市ガスを利用する
ガス・コージェネレーションが、工場、デパート、ホテ
ル、病院等の発電設備として広く使用されている。ガス
・コージェネレーションで使用されるガスエンジンは、
４サイクルガスエンジンであり、ガソリンエンジンと同
様の点火プラグにより着火するタイプである。ここで、
点火プラグを使用する場合、点火プラグの電極部分が消
耗して十分なスパークを発生できなくなり、供給された
ガスに着火できないという失火トラブルが発生する場合
がある。また、ディーゼルエンジン等を含めて全てのエ
ンジンにおいても、燃料供給系統の不具合により着火ミ
スである失火トラブルが発生する場合がある。

【０００３】特に、ガス・コージェネレーションで使用
されるガスエンジンは、通常、２４時間フル稼働される
場合が多く、点火プラグの電極部分が消耗により発生す
る失火トラブルが問題となる場合が多い。すなわち、点
火プラグが消耗してきた場合、始めに散発的な失火が発
生し、しだいに発生間隔が短くなって連続的な失火が発
生するパターンとなる。

【０００４】ガス・コージェネレーションで使用される
エンジンにおいて失火が発生すると、燃焼できなかった
ガスがそのまま排出されるので、エネルギ効率が悪化す
る問題がある。また、燃焼できなかった燃料が、排ガス
パイプ内で着火して、いわゆるアフターファイアーを発
生し、パイプ等が破損する場合がある。さらに、排ガス
通路には、排ガス中の窒素酸化物を除去するための三元
触媒が設置されていることが多いが、失火により燃焼で
きなかったメタンガス等が三元触媒付近で燃焼するた
め、熱により三元触媒の性能が急速に劣化する問題があ
る。その結果、本来の除去対象である窒素酸化物が十分
除去できなくなり、大気汚染を発生する。

【０００５】上記問題を解決する手段として、余裕をも
って一定時間毎に点火プラグを交換することが考えられ
るが、消耗していない点火プラグを捨てることになり、
無駄であり、交換の頻度が多く、煩雑であった。また、
点火プラグの消耗の問題以外に、燃料系統の不具合が原
因で失火が発生する場合もある。そのため、ガスエンジ
ンの失火を初期の段階で検出し、不具合な状態での運転
をできるだけ減少させるために、以下に示すように、自
動車のガソリンエンジンの失火を検出する方法を利用し
て、ガス・コージェネレーションで使用するガスエンジ
ンの失火を検出することが試みられていた。

【０００６】（１）エンジン回転数の変動により、失火
を検出する方法。（２）シリンダ毎の排ガス温度の変化を検出することに
より、失火を検出する方法。（３）点火プラグに流れる電流値の変化、または点火プ
ラグにかかる電圧の変化により、失火を検出する方法。（４）シリンダ内の燃焼圧力を検出する方法。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
失火検出方法には、次に示す問題があった。（１）上記第一の方法では、失火間隔の長い散発的な失
火では回転数の変動がわずかのため失火を確実に検出す
ることができない問題があった。また、ガス・コージェ
ネレーションで系統と連系して運転している場合には、
ほとんど検出できなかった。（２）上記第二の方法では、どのシリンダで失火してい
るかを特定することは可能であるが、排ガス温度は応答
性が悪いため、失火がかなり頻繁にならないと検出でき
ない問題があった。また、各シリンダ毎に温度センサを
取り付けなければならず、煩雑であった。

【０００８】（３）上記第三の方法では、放電の有無の
確認ができるだけで、現実に着火したか否かが不明のた
め、着火ミス等による失火を検出することができない問
題があった。（４）上記第四の方法では、シリンダ毎に圧力センサが
必要となり、また、エンジンブロックへのセンサ取付孔
の加工等コストアップを招き、実用的でなかった。

【０００９】本発明は、上述した問題点を解決するため
になされたものであり、ガス・コージェネレーションで
使用されるガスエンジンの失火を初期の段階で確実に検
出することにより、不具合な状態での運転をできるだけ
避けると共に、個別の点火プラグの交換時期を決定する
ことの可能なガスエンジンの失火検出装置を提供するこ
とを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に本発明のエンジンの失火検出装置は、複数のシリンダ
を有するエンジンの稼働状態を検出するガス・コージェ
ネレーションシステムで使用されるものであって、シリ
ンダの排気圧力を計測する排気圧センサと、複数のシリ
ンダのうち１つの点火タイミングを基準として所定時間
の間隔で各シリンダ毎に１回だけ排気圧センサが計測し
た排気圧力をサンプリングする排気圧サンプリング手段
と、排気圧サンプリング手段が当該シリンダについて１
回だけサンプリングした値と、排気圧サンプリング手段
が当該シリンダの前のシリンダについて１回だけサンプ
リングした値とを相対的に比較し、当該シリンダについ
て１回だけサンプリングした値と当該シリンダの直前の
シリンダについて１回だけサンプリングした値との差が
所定の値以上である場合に失火と判断する失火判別手段
と、失火判別手段が失火を判断したときに、失火したシ
リンダを特定する失火シリンダ特定手段と、複数のシリ
ンダのシリンダ毎に、失火回数を記憶するシリンダ失火
回数記憶手段とを有している。

【００１１】また、上記したエンジンの失火検出装置に
おいて、失火シリンダ特定手段が、複数のシリンダのう
ちの１つの点火タイミングからサンプリングの回数を計
数して、失火したシリンダを特定することを特徴とす
る。

【００１２】

【作用】前記構成を有する本発明のガスエンジンの失火
検出装置は、複数のシリンダを有する４サイクルガスエ
ンジンの稼働状態、特に失火を検出し点火プラグの適正
な交換時期を指示するものである。複数のシリンダから
排出された排気ガスが集中されるマニホールドパイプに
取り付けられた排気圧センサは、各シリンダからの排気
圧力を連続的に計測する。また、排気圧サンプリング手
段は、所定の間隔で排気圧センサが計測した排気圧力を
サンプリングし、Ａ／Ｄ変換する。ここで、サンプリン
グ間隔は、ガスエンジンの回転数およびシリンダの数よ
り決定される。

【００１３】また、失火判別手段は、排気圧サンプリン
グ手段がサンプリングした値と前回サンプリングした値
との差を演算してその差が所定の値以上の場合に失火と
判断する。また、失火シリンダ特定手段は、失火判別手
段が失火を判断したときに複数のシリンダのうちの１つ
の点火タイミングからサンプリングの回数を計数して失
火したシリンダを特定する。そして、シリンダ失火回数
記憶手段は、複数のシリンダのシリンダ毎に失火回数を
記憶する。これにより、各シリンダ毎に発生する散発的
な失火を把握できるため、失火の発生頻度が比較的低い
状態で、かつ点火プラグの寿命に近い時期に点火プラグ
を交換することができる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明のガス・コージェネレーション
で使用されるガスエンジンの失火検出装置を図面を参照
して詳細に説明する。始めにガス・コージェネレーショ
ンの概要を図９を用いて説明する。ガスエンジン２８の
出力回転軸には、周波数６０Ｈｚの交流電力Ｅを発生さ
せるための発電機２９が接続している。ガスエンジン２
８は、都市ガスを燃料とする４サイクル６シリンダの点
火式内燃機関であり、ガスエンジン２８には、天然ガス
等の都市ガスＧが供給されている。

【００１５】ガスエンジン２８で燃焼された排気ガスＪ
は、窒素酸化物コンバータ３０を通過する。排気ガスＪ
に含まれている窒素酸化物および一酸化炭素等は、窒素
酸化物コンバータ３０内のセラミックに担持された白金
を触媒として酸化還元反応して、窒素および二酸化炭素
になり、排ガス熱交換器３１を通って大気中に放出され
る。一方、ガスエンジン２８で発生する熱エネルギは、
水Ｗにより回収される。すなわち、水Ｗは、ジャケット
熱交換器３２によりガスエンジン２８のジャケットを冷
却しながら熱エネルギを吸収する。また、排ガス熱交換
器３１により排気ガスＪの熱エネルギを吸収する。

【００１６】次に、ガスエンジン２８の主要部を図２に
より説明する。本実施例のガスエンジン２８は、６つの
シリンダを有する４サイクルガスエンジンであり、クラ
ンク軸２回転毎に各シリンダから１回ずつ燃焼により発
生した排気ガスが排出される。各シリンダの燃焼室３４
には、空気と混合された都市ガスＧを供給するための混
合ガスパイプ２７が連通している。混合ガスパイプ２７
が燃焼室３４に連通する部分に弁座が形成され、弁座と
当接して混合ガスを遮断するための吸気バルブ２５が、
弁座と当接および離間可能に付設されている。

【００１７】また、燃焼室３４には、燃焼された排気ガ
スＪを排出するための排気パイプ２３が連通している。
排気パイプ２３が燃焼室３４に連通する部分に弁座が形
成され、弁座と当接して排気ガスＪを遮断するための排
気バルブ２４が、弁座と当接および離間可能に付設され
ている。６つのシリンダの排気パイプ２３は、マニホー
ルドパイプ２２により１つにまとめられて、窒素酸化物
コンバータ３０へ送られる。マニホールドパイプの１つ
にまとまった位置に、排気ガスＪの圧力を計測するため
の排気圧センサ１４が固設されている。

【００１８】次に、ガスエンジン２８の失火検出装置の
構成を図１にブロック図で示す。演算処理装置であるＣ
ＰＵ１１には、制御プログラム等を記憶するＲＯＭ１
２、一時的にデータ等を記憶するＲＡＭ１３が接続して
いる。ＲＯＭ１２には、排気圧サンプリングプログラム
１６、失火判別プログラム１７および失火シリンダ特定
プログラム１８が記憶されている。また、ＲＡＭ１３に
は、サンプリング値記憶手段２０、シリンダ失火回数記
憶手段２１が設けられている。また、ＣＰＵ１１には、
排気圧を計測するための排気圧センサ１４、基準信号発
生手段１５が接続している。

【００１９】次に、上記構成を有するガスエンジンの失
火検出装置の作用について説明する。４サイクルガスエ
ンジンでは、クランク軸が２回転する毎に各シリンダか
ら１回ずつ燃焼後の排気ガスＪが、マニホールドパイプ
２２に排出される。マニホールドパイプ２２に付設され
た排気圧センサ１４により排気圧圧力を計測すると、Ｎ
シリンダエンジンの場合、２回転でＮ個のピークを示
す。そして、回転数がＲ（ｒｐｍ）のエンジンでは、次
に示す式で表される時間間隔毎にこのピークが発生す
る。Ｔ（ｍｓ）＝１０００／（Ｒ＊Ｎ／２＊６０）＝１２００００／（Ｒ＊Ｎ）本実施例のガス・コージェネレーションの発電機２９
は、周波数６０Ｈｚであり、ガスエンジン２８は、シリ
ンダ数Ｎ＝６、回転数Ｒ＝１８００ｒｐｍであり、Ｔ（ｍｓ）＝１２００００／（６＊１８００）＝１１．１（ｍｓ）となり、図３に示すように約１１ｍｓの間隔でピークが
発生する。

【００２０】すなわち、図３は、失火トラブルが発生し
ていない正常時の排気圧波形を示している。ＣＰＵ１１
は、基準信号発生手段１５により、ひとつのシリンダ
（本実施例では第２シリンダ）の点火プラグに電圧がか
かるタイミングを基準とし、図３に示すように基準信号
Ｋが出る。このとき、第６シリンダの燃焼ガスの排出に
よる排気圧力のピークがでており、順次第２、第４、第
１、第５、第３シリンダの燃焼ガス排出による排気圧の
ピークがでていることがわかる。そして、ふたたび基準
パルスＫのタイミングで、第６シリンダの燃焼ガス排出
による排気圧力のピークがでている。

【００２１】次に、本発明の主要部の作用を図１０のフ
ローチャートを用いて説明する。ＣＰＵ１１は、排気サ
ンプリングプログラムにより、排気圧センサ１４のアナ
ログ出力について、基準信号Ｋから一定時間Ｔ（ｍｓ）
の間隔でデータをサンプリングし（Ｓ１）、Ａ／Ｄ変換
する（Ｓ２）。サンプリングされたデータを図５に示
す。次に、ＣＰＵ１１は、失火判定プログラム１７によ
り、今回サンプリングした値ａと前回サンプリングして
サンプリング値記憶手段２０に記憶している値ｂとの差
ｃを演算する（Ｓ３）。演算された差ｃのデータを図７
に示す。そして、この差が１００ｍｍＡｑ以上の場合失
火が発生したと判断する。図７の場合は、失火がなく正
常であるので、差は２０ｍｍＡｑ以下であるため、失火
はないと判定する（Ｓ４，Ｎｏ）。サンプリング値ａを
ＲＡＭ１３のサンプリング値記憶手段２０に、ｂとして
記憶する（Ｓ７）。

【００２２】次に、失火トラブルが発生した場合につい
て説明する。１つのシリンダで失火すると、そのシリン
ダから排出される未燃ガスは、圧力が低いため、シリン
ダの排気圧ピークが発生せず、図４に示すように排気圧
力には大きな低下Ｓが発生する。この例では、第５シリ
ンダが失火した場合を示している。次に、ＣＰＵ１１
は、排気サンプリングプログラムにより、排気圧センサ
１４のアナログ出力について、基準信号Ｋから一定時間
Ｔ（ｍｓ）の間隔でデータをサンプリングし（Ｓ１）、
Ａ／Ｄ変換する（Ｓ２）。サンプリングされたデータを
図６に示す。第５シリンダで急激な排気圧低下Ｓが発生
していることがわかる。

【００２３】次に、ＣＰＵ１１は、失火判定プログラム
１７により、今回サンプリングした値ａと、前回サンプ
リングしてサンプリング値記憶手段２０に記憶している
値ｂとの差ｃを演算する。演算された差ｃのデータを図
８に示す。そして、この差ｃが失火判定値Ｈである１０
０ｍｍＡｑ以上の場合失火が発生したと判断する。今回
は、失火判定値Ｈを越える差ｃがあるので、失火が発生
したと判定する（Ｓ４，Ｙｅｓ）。ここで、失火判定値
として１００ｍｍＡｑを用いているのは、ガスエンジン
２８の回転軸に負荷変動が発生した場合にも、排気圧力
が変化するからである。ガス・コージェネレーションに
おけるガスエンジン２８の負荷変動は、例えば、工場の
製造ライン等が停止した場合等に起こる。

【００２４】さらに、発電機２９の発電する電流値やガ
スエンジン２８の吸気圧等の変動を検出して、これらが
所定の値以上に変動している場合は、排気ガスの圧力が
変動した場合でも、失火と判定しないようにするとより
正確に失火を検出することができる。一方、各シリンダ
の点火順序はわかっているので、ＣＰＵ１１は、失火シ
リンダ特定プログラムにより、基準信号Ｋから失火が発
生したシリンダまでのサンプリング回数をカウントする
ことで、失火シリンダを特定することができる（Ｓ
５）。すなわち、今回の失火は、基準信号Ｋから５番目
のシリンダで発生しているので、点火シリンダ順序（６
−２−４−１−５−３）に基づいて、第５シリンダで失
火が発生したことがわかる。

【００２５】そして、ＣＰＵ１１は、シリンダ失火回数
記憶手段２１により、第５シリンダで１回失火が発生し
たことを記憶する（Ｓ６）。このようにして、失火が散
発的に発生した場合でも、各シリンダで発生した失火の
回数を累積的に把握することができる。そして、累積回
数が所定の値を越えた場合に、ＣＰＵ１１は、図示しな
い表示装置により点火プラグを交換すべきことを注意す
る。注意表示を見た作業者は、次に整備等のためにガス
・コージェネレーションが停止された時に、失火回数が
所定の値を越えているシリンダの点火プラグを交換す
る。そして、点火プラグを交換した時は、シリンダ失火
回数記憶手段２１に記憶されている当該シリンダの失火
回数を０に戻す。

【００２６】以上詳細に説明したように、本発明のガス
エンジン２８の失火検出装置によれば、排気用マニホー
ルドパイプ２２に取り付けた排気圧センサ１４により、
各シリンダの燃焼後の排気ガスの圧力を計測し、失火の
発生および失火シリンダの特定を行っているので、散発
的に発生する失火を正確に検出できるため、連続的な失
火トラブルに至る以前に点火プラグを交換することがで
き、バックファイアーを防止し、窒素酸化物コンバータ
の三元触媒の寿命を長くすることができる。

【００２７】なお、前記実施例は本発明を何ら限定する
ものでなく、その要旨を逸脱しない範囲内において、種
々の変形、改良が可能であることは勿論である。例え
ば、本実施例では、マニホールドパイプに１つの排気圧
センサ１４を取り付けているが、各シリンダ毎に排気圧
センサを取り付けた場合でも、本発明の失火判定方法が
使用できる。その場合失火シリンダの特定は、どの排気
圧センサが排気圧力の差を検出したかにより容易にでき
る。また、本実施例は、ガスエンジンについて説明した
が、ガソリンエンジンおよびディーゼルエンジンの場合
でも利用できる。

【００２８】また、本実施例では、所定の点火タイミン
グから点火の回数をカウントすることにより、失火シリ
ンダの特定を行っているが、所定の点火タイミングから
失火が発生したタイミングまでの時間を計測することに
より失火シリンダを特定することも可能である。また、
本実施例では、前回のサンプリング値との差を演算して
失火を判別しているが、供給される燃料に対応する設計
上の標準排気圧をＲＯＭ１２にあらかじめ記憶させてお
いて、その標準排気圧との差を演算して失火を判別して
もよい。また、その直前３〜５回分のシリンダ排気圧の
平均値を演算して、今回サンプリングしたサンプリング
値とその平均値との差を演算して失火を判別してもよ
い。この場合、失火が連続したシリンダで発生した場合
に有効である。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したことから明かなように本発
明のガスエンジンの失火検出装置によれば、複数のシリ
ンダを有するエンジンの稼働状態を検出するガス・コー
ジェネレーションシステムで使用されるものであって、
シリンダの排気圧力を計測する排気圧センサと、複数の
シリンダのうち１つの点火タイミングを基準として所定
時間の間隔で各シリンダ毎に１回だけ排気圧センサが計
測した排気圧力をサンプリングする排気圧サンプリング
手段と、排気圧サンプリング手段が当該シリンダについ
て１回だけサンプリングした値と、排気圧サンプリング
手段が当該シリンダの前のシリンダについて１回だけサ
ンプリングした値とを相対的に比較し、当該シリンダに
ついて１回だけサンプリングした値と当該シリンダの直
前のシリンダについて１回だけサンプリングした値との
差が所定の値以上である場合に失火と判断する失火判別
手段と、失火判別手段が失火を判断したときに、失火し
たシリンダを特定する失火シリンダ特定手段と、複数の
シリンダのシリンダ毎に、失火回数を記憶するシリンダ
失火回数記憶手段とを有しているので、散発的に発生す
る失火を正確に検出でき、連続的な失火トラブルに至る
以前に点火プラグの交換、点火系統や燃料系統の点検を
実施することができるため、効率の悪い状態での運転を
短くし、バックファイアーを防止し、窒素酸化物コンバ
ータの三元触媒の寿命を長くすることができる。その結
果、ガス・コージェネレーションシステム全体の効率を
高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例であるガスエンジンの失火検
出装置の構成を示すブロック図である。

【図２】ガスエンジンの排気系統を示す概念図である。

【図３】正常時の排気圧力波形データ図である。

【図４】失火発生時の排気圧力波形データ図である。

【図５】正常時の排気圧力ピーク値のデータ図である。

【図６】失火発生時の排気圧力ピーク値のデータ図であ
る。

【図７】正常時の前シリンダ排気圧との差の変動データ
図である。

【図８】失火発生時の前シリンダ排気圧との差の変動デ
ータ図である。

【図９】ガス・コージェネレーションの全体構成を示す
概念図である。

【図１０】ガスエンジンの失火検出装置の作用を示すフ
ローチャートである。

【符号の説明】

１１ＣＰＵ１４排気圧センサ１６排気圧サンプリングプログラム１７失火判定プログラム１８失火シリンダ特定プログラム１９基準信号発生手段２０サンプリング値記憶手段２１シリンダ失火回数記憶手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平５−71408（ＪＰ，Ａ) 特開平２−271052（ＪＰ，Ａ) 特開平４−75250（ＪＰ，Ａ) 実開平３−95050（ＪＰ，Ｕ) 特表平４−501157（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F02D 45/00 F02P 17/12

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】複数のシリンダを有するエンジンの稼働
状態を検出するガス・コージェネレーションシステムで
使用されるものにおいて、前記シリンダの排気圧力を計測する排気圧センサと、複数のシリンダのうち１つの点火タイミングを基準とし
て所定時間の間隔で各シリンダ毎に１回だけ前記排気圧
センサが計測した排気圧力をサンプリングする排気圧サ
ンプリング手段と、前記排気圧サンプリング手段が当該シリンダについて１
回だけサンプリングした値と、前記排気圧サンプリング
手段が当該シリンダの前のシリンダについて１回だけサ
ンプリングした値とを相対的に比較し、当該シリンダに
ついて１回だけサンプリングした値と当該シリンダの直
前のシリンダについて１回だけサンプリングした値との
差が所定の値以上である場合に失火と判断する失火判別
手段と、前記失火判別手段が失火を判断したときに、失火したシ
リンダを特定する失火シリンダ特定手段と、前記複数のシリンダのシリンダ毎に、失火回数を記憶す
るシリンダ失火回数記憶手段とを有することを特徴とす
るエンジンの失火検出装置。
【請求項２】請求項１に記載するものにおいて、前記失火シリンダ特定手段が、前記複数のシリンダのう
ちの１つの点火タイミングから前記サンプリングの回数
を計数して、失火したシリンダを特定することを特徴と
するエンジンの失火検出装置。