JP3886333B2 - 内燃機関及び空燃比制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガス供給部からの酸素含有ガスと燃料ガスとの混合気が供給される燃焼室と、前記酸素含有ガスと前記燃料ガスとの空燃比を調整可能な空燃比調整手段とを備えた内燃機関に関し、特に、このような内燃機関において、前記空燃比調整手段により前記空燃比を制御する空燃比制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ランドフィルガスやダイジェスターガスやスウェジガス等のように有機性廃棄物のバクテリアによる分解で発生するメタンを含むバイオガスや、塗装工場や半導体・電子部品製造工場から排出される有機溶剤等を含むオフガスなどを燃料ガスとして用いて発電を行う方法として、この燃料ガスを内燃機関としてのガスエンジンに供給してガスエンジンで発電する方法と、この燃料ガスをボイラの熱源として用いてスチームタービンにより発電する方法がある。
特に５００〜５０００ｋＷクラスの中規模設備では、前者の発電方法の発電効率は３５％程度であることに比べて、後者の発電方法の発電効率は高々２０％程度であり、前者の発電方法のほうが発電効率を高くすることができ有利である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のようなバイオガスやオフガスにおいては、該ガスを発生する要素の状態変化により、燃焼化学当量値が数十分間に２０〜３０％程度変化することがある。
従来のガスエンジンは、ノッキング又は失速又は停止を回避するために、直接ノッキングや燃焼室内の失火等を検出するか、又は排ガスの酸素濃度を検出して、燃焼室内の燃焼状態を検出し、空気と燃料ガスとの空燃比をフィードバック制御するように構成されている。しかし、このように構成されたガスエンジンは、燃焼ガスの燃焼化学当量値の変化に対して、燃焼室に供給される空気と燃料ガスとの空燃比を瞬時に追随させることは困難であるため、供給される燃料ガスの燃焼化学当量値が大幅に変化すると、燃焼室に供給される混合気の当量比が変化してしまい、ノッキングや、失速又は停止を回避することは困難であった。
また、このような燃料ガスの燃焼化学当量値の変化を緩和させるために、燃焼室に供給される前の燃料ガスを、ガスタンクに一次貯蔵して、ガスタンクから燃焼室に燃料ガスを供給する場合がある。しかし、上記のようなバイオガス等の燃焼化学当量値の変化を充分に緩和させるためには、数千ｍ³のガスタンクを必要とすることがあり、設備の大型化の原因となっていた。
従って、本発明は、上記の事情に鑑みて、供給される燃料ガスの燃焼化学当量値が変化しても、好ましい運転状態を維持することができるガスエンジン等の内燃機関を実現することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
〔構成１〕
本発明に係る内燃機関は、請求項１に記載したごとく、前記ガス供給部の前記燃料ガスの燃焼化学当量値の変化傾向を検出する検出手段と、
前記検出手段により検出された前記変化傾向に基づいて、前記空燃比調整手段を働かせて、前記空燃比をフィードフォワード制御する制御手段とを備え、
前記検出手段が、検出流路と、前記ガス供給部から前記検出流路に所定量の燃料ガスを供給するガス供給手段と、前記検出流路に所定量の酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給手段とを備えると共に、前記検出流路に、前記検出流路を流通する燃料ガスを燃焼させる燃焼手段と、前記燃焼後の排ガスの酸素濃度を検出する酸素センサと、前記酸素センサの検出結果に基づいて、前記検出流路に供給された前記燃料ガスの燃焼化学当量値の変化傾向を検出する変化傾向検出手段とを備えて構成されたことを特徴とする。
【０００５】
〔作用効果〕
通常、内燃機関のガス供給部の燃料ガスは、例えば１０秒程度後に空気と混合されて混合気となり、燃焼室に供給される。そして、このガス供給部の燃料ガスの燃焼化学当量値が変化すると、１０秒程度後に、エンジンの運転状態に影響を与え、ノッキングが発生したり、ガスエンジンが失速又は停止してしまう。
そこで、本発明の内燃機関は、検出手段により、後に空気（酸素含有ガスの一例）が供給されて混合気となり内燃機関に供給される燃料ガスの燃焼化学当量値の変化状態や変化率等の変化傾向を検出し、制御手段により、検出手段の検出結果に基づいて、この検出結果を示す燃料ガスに空気が供給され混合気が形成される時点において、空燃比調整手段で設定する空気と燃料ガスとの空燃比を、混合気の当量比が内燃機関の運転状態を安定させることができる程度となるようにフィードフォワード制御することができ、内燃機関の燃料ガスの燃焼化学当量値の変化に起因するノッキングの発生や失速若しくは停止を防止することができる。
従って、供給される燃料ガスの燃焼化学当量値が変化しても、好ましい運転状態を維持することができる内燃機関を実現することができる。
本発明の内燃機関に利用される検出手段は、本構成のごとく構成することができる。
即ち、検出手段は、ガス供給手段によりガス供給部を流通する燃料ガスの一部である所定量の燃料ガスを検出流路に取り入れると共に、空気供給手段（酸素含有ガス供給手段の一例）により所定量の空気を検出流路に取り込み、検出流路に混合気を形成する。
そして、検出流路の混合気を、酸化触媒等で構成された燃焼手段により燃焼させる。すると、燃焼手段から排出される排ガスの酸素濃度は、燃料ガスの燃焼により酸素が消費されたので、燃焼される前の混合気の酸素濃度よりも低下した状態となっている。よって、酸素センサにより検出された排ガスの酸素濃度の変化傾向は、燃焼手段において酸素を消費する燃料ガスの燃焼化学当量値の変化傾向に対応したものとなるので、制御手段により、この酸素濃度の変化傾向を燃料ガスの燃焼化学当量値の変化傾向として検出することができる。
【０００６】
〔構成２〕
本発明に係る内燃機関は、請求項２に記載したごとく、上記構成１の内燃機関の構成に加えて、前記制御手段が、前記検出手段により検出された前記変化傾向に基づいて、前記空気と混合される前記燃料ガスの燃焼化学当量値を予測し、前記予測した前記燃焼化学当量値に基づいて、前記空燃比をフィードフォワード制御する手段であることを特徴とする。
【０００７】
〔作用効果〕
本発明の内燃機関において、検出手段により燃焼化学当量値を検出してから空燃比調整手段を制御する迄にかかる制御時間が、燃料ガスが検出手段から空気と混合され混合気となる迄にかかる流通時間よりも長い場合は、空気と燃料ガスとの空燃比を燃料ガスの燃焼化学当量の変化傾向に応じて好適に制御することが困難となるので、通常は、検出手段の検出対象は、前記流通時間が前記制御時間よりも長くなるようなガス供給部に流通している燃料ガスとされる。しかし、このように、流通時間を長く設定すると、検出結果と実際に空気と混合される燃料ガスの実際の燃焼化学当量値が異なる場合があり、燃焼室に供給される燃料ガスの燃焼化学当量値の変化傾向を正確に検出することが困難となる。
そこで、本構成の如く、制御手段を、検出された燃料ガスの燃焼化学当量値の変化傾向から、例えば検出手段により燃料化学当量値の変化傾向を検出された燃料ガスが空気と混合され混合気となる迄にかかる流通時間を考慮して、空気と混合される時点における燃料ガスの燃焼化学当量値を予測して、前記空燃比調整手段を制御するように構成することで、前記制御時間が前記流通時間より長い場合でも、空燃比を適切に制御することができる。
従って、供給される燃料ガスの燃焼化学当量値が変化しても、空燃比を適切に制御して、好ましい運転状態を維持することができる内燃機関を実現することができる。
【００１０】
また、本発明の内燃機関及び検出装置で利用される酸素センサとしては、酸素イオン伝導性のジルコニア等の固体電解質材を用いた酸素センサがある。このような酸素センサは、固体電解質材の両面に電極を形成し一方の電極の表面を燃料ガスに暴露せしめてその酸素濃度に応じて電極間より検出信号を出力するように構成され、検出信号として固体電解質材の両面における酸素分圧比に応じて発生する起電力を検出する濃淡電池式ものや、固体電解質材と電極とで酸素のポンピングセルとなし、電極間に所定の電圧を印加して燃料ガスの酸素濃度に応じたポンピング電流を出力する限界電流式のものがある。
【００１１】
〔構成３〕
本発明に係る検出装置は、請求項３に記載したごとく、ガス供給部からの酸素含有ガスと燃料ガスとの混合気が供給される燃焼室と、前記酸素含有ガスと前記燃料ガスとの空燃比を調整可能な空燃比調整手段とを備えた内燃機関において、前記空燃比調整手段により前記空燃比を制御する空燃比制御装置であって、
前記燃料ガスの燃焼化学当量値の変化傾向を検出する検出手段を備えると共に、
前記検出手段が、検出流路と、前記検出流路に所定量の前記燃料ガスを供給するガス供給手段と、前記検出流路に所定量の酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給手段とを備えると共に、前記検出流路に、前記検出流路を流通する燃料ガスを燃焼させる燃焼手段と、前記燃焼後の排ガスの酸素濃度を検出する酸素センサとを備え、前記酸素センサの検出結果に基づいて、前記検出流路に供給された前記燃料ガスの燃焼化学当量値の変化傾向を検出する変化傾向検出手段を備えて構成され、
前記検出手段により検出された前記変化傾向に基づいて、前記空燃比調整手段を働かせて、前記空燃比をフィードフォワード制御する制御手段を備えたことを特徴とする。
【００１２】
〔作用効果〕
即ち、本発明の空燃比制御装置は、本構成の如く構成され、これまで説明してきた内燃機関における空燃比の制御に利用されるものである。詳しくは、検出手段を設けることにより、ガス供給手段及び空気供給手段（酸素含有ガス供給手段の一例）により、所定量の燃料ガスと空気とを検出流路に取り込んで、検出流路に混合気を形成し、この混合気を酸化触媒等で構成された燃焼手段により燃焼させた後に、燃焼後の排ガスの酸素濃度を酸素センサにより検出して、制御手段により検出した酸素濃度の変化傾向を燃料ガスの燃焼化学当量値の変化傾向として検出することができ、制御手段により、検出手段の検出結果に基づいて、内燃機関の空燃比調整手段をフィードフォワード制御して、内燃機関の運転状態を安定したものに維持することができ、内燃機関の燃料ガスの燃焼化学当量値の変化に起因するノッキングの発生や失速若しくは停止を防止することができる。
従って、燃料ガスの燃焼化学当量が変化しても、内燃機関に供給される空気と燃料ガスとの空燃比を適切なものに制御することができ、内燃機関の運転状態を安定したものとすることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の内燃機関及び空燃比制御装置の実施の形態について、図面に基づいて説明する。
図１は、本実施例の構成図である。１は内燃機関の一例としてのガスエンジンである。ガスエンジン１の吸気系は、エアクリーナ等により浄化された空気をガスエンジン１の燃焼室７へ導く吸気路３により構成されている。さらに、吸気路３に、空気と燃料ガスとを混合して理論空燃比より若干希薄な混合気を形成するミキサ４、燃焼室７に供給する混合気量を調節するスロットルバルブ５が配設されている。また、燃料ガスをガス供給源からミキサ４へ供給するガス供給路６（ガス供給部の一例）を有しており、さらに、ガス供給路６には、ミキサ４へ供給する燃料ガス量を調整して、ミキサ４によって空気に供給される燃料ガスの供給量を調整し、吸気路３における空気と燃料ガスとの空燃比を調整するための調整弁８（空燃比調整手段の一例）が設けられている。ここで、この調整弁８が制御装置２０による空燃比制御用に利用される。
一方、ガスエンジン１の排気系は、燃焼室７から排出された排ガスを外部へ導く排気路１０により構成されている。
１４はガスエンジンのシリンダに設けられた点火プラグである。
【００１４】
制御装置２０は、後述の酸素センサ４２の出力信号から前記燃料ガスの燃焼化学当量値の変化傾向を検出するための変化傾向検出手段２０ａと、前記変化傾向検出手段２０ａにより検出された燃料ガスの燃焼化学当量値の変化傾向に基づいて、前述の調整弁８の制御量を決定して、その制御量に応じた制御信号を出力して、ミキサ４における空気と燃料ガスとの空燃比をフィードフォワード制御するための空燃比制御手段２０ｂを備えている。
【００１５】
さらに、ガスエンジン１には、ガス供給路６の燃料ガスの燃焼化学当量値の変化傾向を検出する検出手段３０を備えている。
詳しくは、検出手段３０には、流路３９（検出流路）が設けられており、流路３９は、ガス供給路６から抽出した燃料ガスを流路３９に供給するためのガス抽出路３１（ガス供給手段の一例）と、流路３９に空気を供給するための空気流路３３（空気供給手段の一例）と、流路３９に窒素ガス等の不活性ガスを供給するための不活性ガス路３６とが接続されている。尚、ガス供給路６内の圧力は所定の値に維持されており、ガス供給路６から所定量の燃料ガスがガス抽出路３１に流入し、その燃料ガスの流量を制御装置２０により監視するための流量計３２がガス抽出路３１に設けられている。
空気流路３３には、流路３９へ供給する空気の流量を調整するための調整弁３４と、その空気の流量を計測するための流量計３５が設けられており、制御装置２０は、流量計３５により計測された空気の流量を監視しながら調整弁３４を制御して、流路３９に供給する空気の流量を制御することができる。
同じく、不活性ガス流路３６には、流路３９へ供給する不活性ガスの流量を調整するための調整弁３７と、その不活性ガスの流量を計測するための流量計３８が設けられており、制御装置２０は、流量計３８により計測された不活性ガスの流量を監視しながら調整弁３７を制御して、流路３９に供給する不活性ガスの流量を制御することができる。
【００１６】
さらに、検出手段３０の流路３９には、流路３９に供給された空気と燃料ガスとの混合気を触媒接触燃焼させる触媒部４０ａと、触媒部４０ａを加熱して触媒部４０ａを加熱するヒータ４０ｂとを有する触媒燃焼部４０（燃焼手段の一例）が設けられており、流路３９の燃料ガスを燃焼させて燃焼させることができる。
尚、触媒部４０ａの温度は理論燃焼温度程度に設定することが好ましく、制御装置２０は、図示しない温度センサにより触媒部４０ａの温度を監視しながら、前記調整弁３７を制御して、触媒部４０ａの温度が１０００℃〜２０００℃程度の理論燃焼温度となるように流路３９に供給する不活性ガスの流量を制御する。
【００１７】
また、流路３９の触媒燃焼部４０の下流側には、触媒部４０ａから排出された排ガスの酸素濃度を検出する酸素センサ４２が設けられており、酸素センサ４２は、酸素イオン伝導性のジルコニア等の固体電解質材を用いた酸素センサであり、検出された酸素濃度に応じる信号を制御装置２０に出力するように構成されている。そして、前記制御装置２０は、酸素センサ４２により検出された酸素濃度を検出しながら調整弁３４を働かせて、流路３９に供給された空気と燃料ガスとの混合気の当量比が１．０程度となって、触媒部４０ａから酸素センサ４２側に排出される排ガスの酸素濃度がほぼゼロとなるように流路３９に供給する空気量を設定する。これは、酸素濃度がゼロ付近で高感度を示す酸素センサ４２により、酸素濃度の変化傾向を高感度で検出するためである。
このように構成することで、酸素センサ４２で検出される酸素濃度の変化傾向は、流路３９に供給された燃料ガスの燃焼化学当量値の変化に起因する流路３９の混合気の当量比の変化傾向を示すものとなり、制御装置２０の変化傾向検出手段２０ａにより、この酸素センサ４２で検出される当量比の変化傾向を燃料ガスの燃焼化学当量値の変化傾向として検出することができる。
【００１８】
そして、ガスエンジン１の制御装置２０に設けられた空燃比制御手段２０ｂは、変化傾向検出手段２０ａにより検出された燃料ガスの燃焼化学当量値の変化傾向から、検出タイミングと検出対象の燃料ガスがミキサ４に供給されるタイミングの差を考慮して、ミキサ４により吸気路３に供給される時点における燃料ガスの燃焼化学当量値を予測して、調整弁８を制御するように構成されている。
よって、例えば、ランドフィルガスやダイジェスターガスやスウェジガス等のように有機性廃棄物のバクテリアによる分解で発生するメタンを含むバイオガスや、塗装工場や半導体・電子部品製造工場から排出される有機溶剤等を含むオフガス等の燃焼化学当量値が大幅に変化する可能性が有るガスをガスエンジン１の燃料ガスとして利用しても、吸気路３に供給する空気と燃料ガスとの空燃比を適切に制御して、ガスエンジン１を好ましい運転状態に維持することができる。
尚、本発明の空燃比制御装置は、検出手段３０と制御装置２０によって構成することができる。
【００１９】
〔別実施の形態〕
次に、本発明の内燃機関としてのガスエンジン及び空燃比制御装置の別の実施の形態を図面に基づいて説明する。
〈１〉 上記実施の形態において、検出手段３０の流路３９に不活性ガスを供給することで触媒部４０ａの温度を調整する構成を説明したが、不活性ガスを触媒部４０ａとヒータ４０ｂの間に供給して、触媒部４０ａの温度を調整しても構わない。
【００２０】
〈２〉 上記実施の形態において、燃料ガスは、燃焼化学当量値が大幅に変化する可能性があるものであるので、燃料ガスの流量計３２としては、乱流域で使用される差圧式流量計よりも、層流素子を備え、層流域で使用される差圧式流量計を利用することが好ましく、その燃料ガスの組成変化に起因する検出流量誤差を最小限に抑えることができる。
【００２１】
〈３〉 本発明に係る内燃機関は、ガスエンジン１の他に、ガスタービン等として構成することもできる。
【００２２】
〈４〉 上記実施の形態において、一般的な例として、燃料ガスの燃焼のための酸素含有ガスとして空気を利用したものを説明したが、空気の以外の酸素含有ガスとしては、例えば、酸素成分含有量が空気に対して高い酸素富化ガス等を利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の内燃機関としての及び空燃比制御装置の実施の形態を示す概略構成図
【符号の説明】
１ ガスエンジン（内燃機関）
３ 吸気路
４ ミキサ
５ スロットルバルブ
６ ガス供給路
７ 燃焼室
８ 調整弁
１０ 排気路
２０ 制御装置
２０ａ 変化傾向検出手段
２０ｂ 空燃比制御手段
３０ 検出手段
３１ ガス抽出路（ガス供給手段）
３３ 空気流路（空気供給手段）
４０ 燃焼手段
４０ａ ヒータ
４０ｂ 触媒部
４２ 酸素センサ

Claims (3)

1. ガス供給部からの酸素含有ガスと燃料ガスとの混合気が供給される燃焼室と、前記酸素含有ガスと前記燃料ガスとの空燃比を調整可能な空燃比調整手段とを備えた内燃機関であって、
   前記ガス供給部の前記燃料ガスの燃焼化学当量値の変化傾向を検出する検出手段と、
   前記検出手段により検出された前記変化傾向に基づいて、前記空燃比調整手段を働かせて、前記空燃比をフィードフォワード制御する制御手段とを備え、
   前記検出手段が、検出流路と、前記ガス供給部から前記検出流路に所定量の燃料ガスを供給するガス供給手段と、前記検出流路に所定量の酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給手段とを備えると共に、前記検出流路に、前記検出流路を流通する燃料ガスを燃焼させる燃焼手段と、前記燃焼後の排ガスの酸素濃度を検出する酸素センサと、前記酸素センサの検出結果に基づいて、前記検出流路に供給された前記燃料ガスの燃焼化学当量値の変化傾向を検出する変化傾向検出手段とを備えて構成された内燃機関。
2. 前記制御手段が、前記検出手段により検出された前記変化傾向に基づいて、前記空気と混合される前記燃料ガスの燃焼化学当量値を予測し、前記予測した前記燃焼化学当量値に基づいて、前記空燃比をフィードフォワード制御する手段である請求項１に記載の内燃機関。
3. ガス供給部からの酸素含有ガスと燃料ガスとの混合気が供給される燃焼室と、前記酸素含有ガスと前記燃料ガスとの空燃比を調整可能な空燃比調整手段とを備えた内燃機関において、前記空燃比調整手段により前記空燃比を制御する空燃比制御装置であって、
   前記燃料ガスの燃焼化学当量値の変化傾向を検出する検出手段を備えると共に、
   前記検出手段が、検出流路と、前記検出流路に所定量の前記燃料ガスを供給するガス供給手段と、前記検出流路に所定量の酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給手段とを備えると共に、前記検出流路に、前記検出流路を流通する燃料ガスを燃焼させる燃焼手段と、前記燃焼後の排ガスの酸素濃度を検出する酸素センサとを備え、前記酸素センサの検出結果に基づいて、前記検出流路に供給された前記燃料ガスの燃焼化学当量値の変化傾向を検出する変化傾向検出手段を備えて構成され、
   前記検出手段により検出された前記変化傾向に基づいて、前記空燃比調整手段を働かせて、前記空燃比をフィードフォワード制御する制御手段を備えた空燃比制御装置。

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