JP4392750B2 - ガスエンジンおよびその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、天然ガス・都市ガス（１２Ａ，１３Ａ）等の高カロリーガスと、バイオガス・ランドフィルガス等の発熱量を異にする低カロリーガスを燃料として併用し、厳密な空燃比制御を必要とするガスエンジン及びその制御に関する。

図１０で示す従来のガスエンジンの吸気機構では、ベンチェリミキサＭｖが使用されている（例えば非特許文献１参照）。
図１０において、空気供給源Ｓａからは空気供給ラインＬａが接続され、そのラインＬａの端末にはベンチュリミキサＭｖが接続されている。そのベンチュリミキサＭｖにはガス供給源Ｓｇから延在するガス供給ラインＬｇが接続されている。ベンチュリミキサＭｖの下流側には流過順に、スロットルバルブＶｓ及び圧力計Ｍｐが介装された混合ガス供給ラインＬｍが設けられ、その混合ガス供給ラインＬｍはガスエンジンＥｇに接続されている。
ベンチュリミキサＭｖを使用した場合の問題点として、混合気中の燃料と体積割合が、空気と燃料の密度から決定される値に固定されてしまっていることが挙げられる。
すなわち、混合気中の燃料と体積割合が、空気と燃料の密度から決定される値に固定されてしまっているということは、供給ガスの組成（発熱量等）が変動すると、この体積割合に加えて、燃焼に必要とする空気量も変動し、その結果、空燃比（λ）が変動する。

ガスエンジンにおいて、空燃比（λ）を正確に制御する必要があり、空燃比（λ）が所定の値からずれると、例えば、空燃比（λ）が大きいと失火し、反対に空燃比（λ）が小さいと排ガス中のＮＯｘ増加或いはノッキングが生じてしまうという問題を生じる。

これに対して、給気圧力をコントロール出来るタイプの従来技術のガスエンジンが有る。係るガスエンジン装置が、図１１で示されている（例えば非特許文献２参照）。

図１１において、空気供給源Ｓａからは空気供給ラインＬａが接続されており、一方、ガス供給源Ｓｇからはガス流量調整機構Ｖｇを介装したベンチュリミキサＭｖに接続されている。空気供給ラインＬａとガス供給ラインＬｇはベンチュリミキサＭｖで合流した後、混合ガス供給ラインＬｍとなってガスエンジンＥｇに接続されている。その混合ガス供給ラインＬｍには流過順に、スロットルバルブＶｓ及び圧力計Ｍｐが介装されている。

この装置によれば、例えば燃料ガスの発熱量が低下すると、出力が低下するため一時的にはスロットルＶｓが開く。スロットルＶｓが開くと給気圧力は上昇する。
出力を一定に保ちつつ給気圧力を一定にするために、ベンチュリミキサのガス流量制御機構Ｖｇにより、燃料ガスの供給量を増加させる。すなわち、出力の変動に対しては先ずスロットルが対応し、その後、給気圧力を一定にするためにベンチュリミキサのガス流量制御機構が作動する。
各出力に応じた適切な目標給気圧力を設定することにより、組成が一定のガスが供給される限りは、常に目標とする空燃比が実現されるのである。

この給気圧がコントロール出来るタイプのガスエンジンに、高カロリーガスと低カロリーガスと言った組成の異なる二種類のガスが切り換えて供給される場合を考えると、次のようになる。
ガスの組成が変動した瞬間は、以下に示す式−１に従って、空燃比λ_１からλ_２へと大きく変動する。
（λ_２／λ_１）
＝｛１／（λ_１・Ｖ_Ｓ２）｝｛(ρ_ｇ２／ρ_ｇ１)(λ_１Ｖ_ｓ１−α_１)+α_２｝^１／２ …（式−１）
ここで、
λ：空燃比
Ｖ_ｓ：当量空気量(希釈ガス１ｍ^３中の可燃ガス(１−α)ｍ^３を燃焼させるのに必要な空気量［単位はｍ^３／ｍ^３−希釈ガス］
ρ：密度［単位はｋｇ／ｍ^３−希釈ガス］(添字ｇ：ｇａｓ)
α：ガス中の空気分率
添え字１：変更前
添え字２：変更後
である。

その後、ガスエンジン側で給気圧力が一定となる制御をすれば、以下の式−２で示すように空燃比が変動する。但し、以下の式−２により計算される「λ_２／λ_１」は、ほぼ１であり、定常状態ではガスエンジン側の制御は、ガスの組成が変わっても、ほぼ一定の空燃比を保つように行われる。
（λ_２／λ_１）
＝（Ｖ_ｓ１Ｑ_２）γ／（Ｖ_ｓ２Ｑ_１）＋｛Ｑ_２（１−Ｖ_ａ１）γ−Ｑ_１（１−Ｖ_ａ２）｝／λ_１Ｑ_１Ｖ_ｓ２・・・（式−２）
ここで、
Ｑ：発熱量［単位はＪ／ｍ３］
γ：効率比η_２／η_１
η：効率
Ｖ_ａ：希釈ガス１ｍ^３中の空気含有量［単位はｍ^３／ｍ^３−希釈ガス］
Ｖ_ｓ：当量空気量(希釈ガス１ｍ^３中の可燃ガス(１−α)ｍ^３を燃焼させるのに必要な空気量［単位はｍ^３／ｍ^３−希釈ガス］
添え字１：変更前
添え字２：変更後

しかしながら、ガス供給系統Ｌｇにおけるベンチュリミキサのガス流量制御機構Ｖｇを用いた制御は、スロットル制御との干渉をさける為に制御を遅くしているため、急激なガス組成の変動時には制御遅れが生じ、過渡的には大きな空燃比ずれが生じる。即ち、図１１で示す技術でも、急激なガスの組成の変動に急激に追い付けないために、図１０で示すガスエンジンと同様に、失火、ノックキング、ＮＯｘ増大という問題が生じる恐れがある。

図１１で示すタイプの燃料供給機構を用いて、燃料ガスの急激な組成変動に対する応答性が良好な技術が求められている。しかし、その様な従来技術は、現時点では提案されていない。
ヤンマー発電機−ガスエンジン常用発電システム、[２００３年１１月２１日検索]、インターネット<ＵＲＬ：ＨＴＴＰ：／／ＷＷＷ．ＹＡＮＭＡＲ．ＣＯ．ＪＰ／ＰＲＯＤＵＣＴＳ／ＥＮＥＲＧＹ／ＧＥＮ／ＧＡＳ−ＥＮＧＩＮＥ．ＨＴＭＬ> ＬＥＡＮＯＸ、Ｐｒｏｄｕｃｔｓ、Ｓｐｅｃｉａｌ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ、[２００３年１１月２１日検索]、インターネット<ＵＲＬ：ＨＴＴＰ：／／ＷＷＷ．ＪＥＮＢＡＣＨＥＲ．ＣＯＭ／ＷＷＷ＿ＥＮＧＬＩＳＨ／ＰＲＯＤ／ＳＰＥ＿ＬＥＡ．ＨＴＭＬ>

本発明は上述した従来技術の問題点に鑑みて提案されたものであり、ガス供給側で流量制御を行うタイプの気体燃料供給機構であって、燃料ガスの急激な組成変動に対する応答性が良好なガスエンジン及びその制御方法の提供を目的としている。

発明者は種々研究の結果、式―１、式―２において、ガスに含まれる空気量（或いは空気分率）だけは、制御可能であることに着目した。すなわち、従来技術では、ガスの組成が急激に変化すると式−１で求まる比率で空燃比が変化し、本来ガスエンジンが制御しようとしている式−２で求まる目標空燃比変動率に差があるため、空燃比制御が完了するまでの間、空燃比ずれが生ずることが問題となっていた。これに対して発明者は、例えば、高カロリーガスに混合する空気量を制御することにより、ガスエンジンにおける空燃比制御（式―２を制御目標とする制御）を行う必要が無くなることを見出した。

本発明のガスエンジンによれば、燃焼用の空気供給系統Ｌａ２と、組成や発熱量の異なる複数種類の気体燃料の中から予め決定された発熱量が高い気体燃料を供給するための高カロリーガス供給系統２、Ｌｇ２と、高カロリーガスより発熱量が低く組成や発熱量の異なる複数種類の気体燃料からなる低カロリーガスを供給するための低カロリーガス供給系統１、Ｌｇ１とを具備する気体燃料供給機構を有し、前記高カロリーガス供給系統２、Ｌｇ２は空気供給系統３、Ｌａと合流Ｇ１して高カロリーガスを空気と混合希釈し、該希釈された気体燃料を供給する希釈済み高カロリーガス供給系統Ｌｇａは前記低カロリーガス供給系統１、Ｌｇ１と合流Ｇ２するように構成されており、前記低カロリーガス供給系統１、Ｌｇ１による低カロリーガスの供給から前記希釈済み高カロリーガス供給系統Ｌｇａによる混合気体の供給に変更された旨、或いは、前記希釈済み高カロリーガス供給系統Ｌｇａによる混合気体の供給中に低カロリーガスの種類或いは組成が変更された旨を検知する手段と、前記高カロリーガスと空気との混合比を決定する制御手段１０とを有し、該制御手段１０は、低カロリーガスが高カロリーガスを空気で希釈した混合気体に変更された際に、或いは低カロリーガスの種類或いは組成が変更された際に気体燃料の密度と当量空気量から決定される前記変更前の空燃比λ_１と変更後何も制御しない状態での空燃比λ_２との比と、前記変更前及び給気圧力が一定となる制御を行った後の気体燃料の空燃比λ_１と空燃比λ_２との比とが概略等しくなるように前記混合比を決定する機能を有している。

ここで、前記「変更前後の気体燃料の密度と当量空気量から決定される空燃比」は、次の式−１により導かれる。
（λ_２／λ_１）
＝｛１／（λ_１・Ｖ_Ｓ２）｝｛(ρ_ｇ２／ρ_ｇ１)(λ_１Ｖ_ｓ１−α_１)+α_２｝^１／２ …（式−１）
ここで、
λ：空燃比
Ｖ_ｓ：当量空気量(希釈ガス１ｍ^３中の可燃ガス(１−α)ｍ^３を燃焼させるのに必要な空気量［単位はｍ^３／ｍ^３−希釈ガス］
ρ：密度［単位はｋｇ／ｍ^３−希釈ガス］(添字ｇ：ｇａｓ)
α：ガス中の空気分率
添え字１：変更前
添え字２：変更後
である。

また、前記「気体燃料の変更前後で給気圧力が一定となる制御を行った後の空燃比」は、次の式−２により導かれる。
（λ_２／λ_１）
＝（Ｖ_ｓ１Ｑ_２）γ／（Ｖ_ｓ２Ｑ_１）＋｛Ｑ_２（１−Ｖ_ａ１）γ−Ｑ_１（１−Ｖ_ａ２）｝／λ_１Ｑ_１Ｖ_ｓ２・・・（式−２）
ここで、
Ｑ：発熱量［単位はＪ／ｍ３］
γ：効率比η_２／η_１
η：効率
Ｖ_ａ：希釈ガス１ｍ^３中の空気含有量［単位はｍ^３／ｍ^３−希釈ガス］
Ｖ_ｓ：当量空気量(希釈ガス１ｍ^３中の可燃ガス(１−α)ｍ^３を燃焼させるのに必要な空気量［単位はｍ^３／ｍ^３−希釈ガス］
添え字１：変更前
添え字２：変更後
である。

また、本発明のガスエンジンの制御方法によれば、燃焼用の空気供給系統Ｌａ２と、組成や発熱量の異なる複数種類の気体燃料の中から予め決定された発熱量が高い気体燃料を供給するための高カロリーガス供給系統２、Ｌｇ２と、高カロリーガスより発熱量が低く組成や発熱量の異なる複数種類の気体燃料からなる低カロリーガスを供給するための低カロリーガス供給系統１、Ｌｇ１とを具備する気体燃料供給機構を有し、前記高カロリーガス供給系統１、Ｌｇ１は空気供給系統３、Ｌａと合流Ｇ１して高カロリーガスを空気と混合希釈し、該希釈された気体燃料を供給する希釈済み高カロリーガス供給系統Ｌｇａは前記低カロリーガス供給系統１、Ｌｇ１と合流Ｇ２するように構成されており、前記低カロリーガス供給系統１、Ｌｇ１による低カロリーガスの供給から前記希釈済み高カロリーガス供給系統Ｌｇａによる混合気体の供給に変更された旨、或いは、前記希釈済み高カロリーガス供給系統Ｌｇａによる混合気体の供給中に低カロリーガスの種類或いは組成が変更された旨を検知する検知工程と、制御手段１０により前記高カロリーガスと空気との混合比を決定する決定工程とを有し、該混合比を決定する決定工程では、低カロリーガスを高カロリーガスを空気で希釈した混合気体に変更した際に、或いは、低カロリーガスの種類或いは組成が変更された際に、気体燃料の密度と当量空気量から決定される前記変更前の空燃比λ_１と変更後何も制御しない状態での空燃比λ_２との比と、前記変更前及び給気圧力が一定となる制御を行った後の気体燃料の空燃比）λ_１と空燃比λ_２との比とが概略等しくなるように前記混合比を決定する決定工程を有している。

そして本発明のガスエンジンの制御方法によれば、低カロリーガスを高カロリーガスを空気で希釈した混合気体に変更した旨、或いは、低カロリーガスの種類或いは組成が変更された旨を検知する検知工程は、熱伝導度、発熱量、比重或いは音速を計測する計測工程と、計測された熱伝導度、発熱量、比重或いは音速から低カロリーガスの組成を推定する推定工程、とを有している。

さらに本発明のガスエンジンの制御方法によれば、低カロリーガスを高カロリーガスを空気で希釈した混合気体に変更した旨、或いは、低カロリーガスの種類或いは組成が変更された旨を検知する検知工程は、ガスエンジン直前のミキサの開度変化を計測する計測工程と、ガスミキサの燃料流量制御弁開度の開度変化から低カロリーガスの組成を推定する推定工程、とを有している。

かつ本発明のガスエンジンの制御方法によれば、低カロリーガスを高カロリーガスを空気で希釈した混合気体に変更した旨、或いは、低カロリーガスの種類或いは組成が変更された旨を検知する検知工程は、低カロリーガスの流量と、高カロリーガスと空気との混合流における流量を計測する計測工程と、計測された流量の変化から低カロリーガスの組成を推定する推定工程、とを有している。

上述したような構成及び制御方法を有する本発明によれば、図１、図４、図６、図８で示す様な燃料と空気の体積割合を自動的に制御できる装置を具備したガスエンジン１００において、用いる気体燃料の種類が急激に変更された場合でも、式−１および式−２、或いは式−３を用いて最適な燃料と空気の体積割合を演算し、適切な高カロリーガスの希釈を行うことにより、本来混焼率変化に応じて動かす必要のある、ガスミキサ開度等に代表される燃料と空気の体積割合調整機構を作動させること無く、燃料と空気の体積割合を自動制御装置が目標とする値に設定することにより、制御の追従遅れが無くなる。
制御の追従遅れがなくなる結果、急激な混焼率変化による影響を排除し、極めて安定な運転が実現出来る。

各種の低カロリーガスの性状に関するデータがデータベース（５）に記憶されており、高価な分析器を用いることなく、例えば簡単な計測手段（ＭＦ１，ＭＦ２，ＭＦ３，ＭＲ４，ＱＭ１，ＯＭ１，１７）を用いることにより、変更前後の低カロリーガスの発熱量や組成が迅速に把握でき、低カロリーガスの発熱量（組成）変更時にもリアルタイムで高カロリーガスの最適希釈率を求めることが出来る。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

先ず、図１及び図２を参照して第１実施形態を説明する。
図１及び図２の第１実施形態は、低カロリーガスから空気希釈した高カロリーガス（発熱量が高い気体の中から予め決定された１種類の気体燃料：例えば、１３Ａ都市ガス）に切り換える場合において、高カロリーガスをどの程度空気希釈すれば良いかを制御する実施形態である。
すなわち、低カロリーガスを空気希釈した高カロリーガスに切り換えた際に、空気希釈量或いは空気分率を適宜制御して、切り換え時においてガスミキサの開度を変更しなくても良い様にせしめる制御を行う技術である。

図１において、装置全体の構成として、低カロリーガス供給源１と高カロリーガス供給源２と希釈用空気供給源３を有している。
尚、高カロリーガスの組成、供給圧力は一定であり、低カロリーガスの組成及び圧力は変動している。

低カロリーガス供給源１に接続された低カロリー供給ラインＬｇ１には、流過順に、ガスホルダ１１とガス圧縮装置１２とクッションタンク１４と圧力制御弁１５と流量調節弁１６とが介装されている。なお、クッションタンク１４は省略が可能である。
その低カロリー供給ラインＬｇ１における前記ガス圧縮機１２の前後には、クッションタンク１４の内圧を一定に保つためにクッションタンク１４から有水ガスホルダ１１に低カロリーガスを戻すための、一方向弁１３を介装したバイパスラインＬｂ１が設けられている。なお、一方向弁１３は、クッションタンク１４の上流側（低カロリーガス供給源１側）の圧力を制御している。
前記圧力制御弁１５は、流量制御弁１６の上流側（低カロリーガス供給源１側）圧力を一定にするように構成されている。

高カロリーガス供給源２に接続された高カロリー供給ラインＬｇ２には、流過順に圧力制御弁２１と質量流量計ＦＭ３が介装されている。
前記圧力制御弁２１は、質量流量計ＦＭ３の上流側（高カロリーガス供給源２側）の圧力を制御するように構成されている。

希釈用空気供給源３に接続された空気供給ラインＬａには、流過順に空気圧縮装置３１とレシーバタンク３３と流量調整弁３４と流量計ＦＭ４が介装されている。
その空気供給ラインＬａにおける前記空気圧縮装置３１の前後には、空気供給ラインＬａと平行して、一方向弁３２を介装したバイパスラインＬａｂが設けられている。そして、一方向弁３２は、レシーバタンク３３の上流側（希釈用空気供給源３側）圧力を一定にするように構成されている。

前記高カロリーガス供給ラインＬｇ２と空気供給ラインＬａは第１の合流点Ｇ１において合流し、その第１の合流点Ｇ１の下流側に、希釈された高カロリーガスを供給する希釈済み高カロリーガス供給ラインＬｇａが形成されている。
その希釈済み高カロリーガス供給ラインＬｇａには流過順にクッションタンク２３及び圧力制御弁２４が介装されている。
前記圧力制御弁２４は、流量調整弁１６の下流側(ガスエンジン等１００側)の圧力をコントロールする様に構成されている。

前記低カロリーガス供給ラインＬｇ１と前記希釈済み高カロリーガス供給ラインＬｇａとは第２の合流点Ｇ２において合流し、その第２の合流点Ｇ２の下流側に、燃料供給ラインＬｆが形成され、ミキサ４０に連通している。すなわち、燃料供給ラインＬｆを流れる気体燃料（低カロリーガス、希釈済み高カロリーガス）は、ミキサ４０により空気供給ラインＬａ２を流れる空気と混合されて、混合ガス供給ラインＬｘを流れる。その混合ガス供給ラインＬｘはガスエンジン１００の図示しない吸気ポートに連通している。

本実施形態におけるガスエンジン１００は、燃料系を制御するコントロールユニット１０及びデータベース５を備えている。そしてデータベース５は低カロリーガス供給源からのガスに関する情報を逐一入力されており、前記コントロールユニット１０はそのデータベース５からの情報Ｌｉｄ及び前記質量流量計ＦＭ３、ＦＭ４からの入力情報Ｌｉｆを元に希釈用空気供給ラインＬａｂに介装された前記流量調節弁３４の開度を制御信号ラインＬｏを介して調節するように構成されている。
ここで、図１において、ガスが切り換わった旨を検知する手段は、例えばコントロールユニット１０の内部に設けられている（図１では図示せず）。そして、コントロールユニット１０に対してガスの組成(或いは発熱量)が切り換わった旨が入力されるまで、ガスの組成(或いは発熱量)は一定であるとみなされる。
或いは、図１で示す実施形態では、ガスの組成(或いは発熱量)の切り換え自体がコントロールユニット１０で制御される。
何れにおいても、図１で示す実施形態では、ガスが切り換わった旨を検知する手段については、限定するものではない。

ここで、制御方法を説明する前に、「気体燃料の量と当量空気量とから決定される空燃比」或いは「低カロリーガスから、空気希釈した高カロリーガスに切り換えを行った場合の空燃比」、及び「給気圧力が一定となる制御を行った後の空燃比」について説明する。
先ず、「気体燃料の量と当量空気量とから決定される空燃比」或いは「低カロリーガスから、空気希釈した高カロリーガスに切換えを行った場合の空燃比」は、次の式−１により導かれる。
（λ_２／λ_１）
＝｛１／（λ_１・Ｖ_Ｓ２）｝｛(ρ_ｇ２／ρ_ｇ１)(λ_１Ｖ_ｓ１−α_１)+α_２｝^１／２ …（式−１）
ここで、
λ：空燃比
Ｖ_ｓ：棟梁空気量(希釈ガス１ｍ^３中の可燃ガス(１−α)ｍ^３を燃焼させるのに必要な空気量［単位は、ｍ^３／ｍ^３−希釈ガス］)
ρ：密度［単位は、ｋｇ／ｍ^３−希釈ガス］(添字ｇ：ｇａｓ)
α：ガス中の空気分率
添え字１：変更前
添え字２：変更後
である。

また、前記「給気圧力が一定となる制御を行った後の空燃比」は、次の式−２により導かれる。
（λ_２／λ_１）
＝（Ｖ_ｓ１Ｑ_２）γ／（Ｖ_ｓ２Ｑ_１）＋｛Ｑ_２（１−Ｖ_ａ１）γ−Ｑ_１（１−Ｖ_ａ２）｝／λ_１Ｑ_１Ｖ_ｓ２・・・（式−２）
ここで、
Ｑ：発熱量［単位は、Ｊ／ｍ３］
γ：効率比η_２／η_１
η：効率
Ｖ_ａ：希釈ガス１ｍ^３中の空気含有量［単位は、ｍ^３／ｍ^３−希釈ガス］
Ｖ_ｓ：棟梁空気量(希釈ガス１ｍ^３中の可燃ガス(１−α)ｍ^３を燃焼させるのに必要な空気量［単位は、ｍ^３／ｍ^３−希釈ガス］)
添え字１：変更前
添え字２：変更後
である。

前記（式−１）は物理的な現象として（何も制御しなければ、流体力学的には、という程度の意味）、ガスが変動するとλがどう変わるかを示す式である。
他方、（式−２）はエンジンの制御から見た場合、ガスが変更した時に、最終的にガスエンジンが持って行きたい空燃比を示す式である。

尚、最も一般的な同一出力における吸気圧力を一定にする制御（式−２による）においては、ガスの組成変化に応じて目標圧力（Ｐ）を変化させた方が、ノッキングやＮＯｘの排出量、出力の関係で好ましい場合が有り、目標圧力、給気圧力（Ｐ）を変更することとなる。
その場合、各種パラメータが変更するので、制御がさらに複雑化する。

係る場合には、式−２に代えて、以下の（式−３）を用いる。
（λ_２／λ_１）
＝（Ｖ_ａ１Ｑ−１）／（Ｖ_ｓ２λ_１）＋Ｑ_２γ（１＋Ｖ_ｓ１λ_１−Ｖ_ａ１）β／（λ_１Ｑ_１Ｖ_ｓ２）・・・（式−３）
ここで、
β＝Ｐ_２／Ｐ_１
Ｐ_１：ガス１の時の目標吸気圧力
Ｐ_２：ガス２の時の目標吸気圧力

次に、図２を参照して第１実施形態の制御方法について説明する。
先ず、コントロールユニット１０は、データベース５からの情報その他に基いて、低カロリーガス種が変更になったか否かをチェックしており（ステップＳ１のループ）、低カロリーガス種が変更になった場合に（ステップＳ１のＹＥＳ）、高カロリーガス中の空気分率αをデータベース５に記憶されたマップ、或いは特性図等によって変更する（ステップＳ２）。

次のステップＳ３では、前述の（式−１）によって変更後の空燃比λ_２−１を演算する（ステップＳ４）。
その後、前述の（式−２）によって変更後の空燃比λ_２−２を演算する（ステップＳ４）。

次のステップＳ５ではコントロールユニット１０は、演算した空燃比λ_２−１、λ_２−２を用いて、λ_２−１−λ_２−２の絶対値が許容値ｘ以下か否かを判断する。
許容値以下であれば（ステップＳ５のＹＥＳ）、ステップＳ６に進み、許容値未満であれば（ステップＳ５のＮＯ）、空気分率αをリセットし（ステップＳ７）、異なるαの値をデータベース５中から選択して再びステップＳ３以降を繰り返す。

ステップＳ６では空気分率αとなるように希釈用空気供給ラインＬａｂに介装された流量調節弁３４に制御信号を発信して、高カロリーガスを適正値に希釈した後、ステップＳ１に戻り、再びステップＳ１以降を繰り返す。

次に、図３を参照して第２実施形態を説明する。
図３の第２実施形態は、第１実施形態と同様に、低カロリーガスから空気希釈した高カロリーガスに切り換える場合において、高カロリーガスをどの程度空気希釈すれば良いかを制御する実施形態である。
ただし、第２実施形態では、図２で示す第１実施形態の制御とは異なる制御を行っている
構成については、図１で示すのと同様であるので、制御フローチャートのみを示す。

図３において、先ず、コントロールユニット１０は何れかの入力手段或いは検知手段等により、低カロリーガス種が変更になったか否かをチェックしており（ステップＳ１１のループ）、低カロリーガス種が変更になった場合に（ステップＳ１１のＹＥＳ）、データベース５の情報に基づき、変更後の低カロリーガスの組成を決定する（ステップＳ１２）。

次のステップＳ１３では、（式−１）と（式−２）を同時に充足するような空気分率αの値α_１２を演算し、高カロリーガスをその空気分率α_１２で希釈し（ステップＳ１４）、再びステップＳ１１に戻り、ステップＳ１１以降を繰り返す。

図３の第２実施形態では、式−１と式−２とを同時に充足する空気分率αを求め、係る空気分率αとなる様に、高カロリーガスを空気で希釈する実施形態である。
ただし、式−１と式−２には、空気分率αにより変動するパラメータが多数存在するので、式−１と式−２とを同時に充足する空気分率αを求めることは極めて困難となる場合が多い。空気分率αを求めるためには、多元多次方程式の解を求めなければならないからである。

上述したような構成及び制御方法を有する第１実施形態及び第２実施形態によれば、用いる気体燃料の種類が変更された場合でも、式−１および式−２、或いは式−３を用いて最適燃料と空気の体積割合を演算し、適切な高カロリーガスの希釈を行うことにより、本来混焼率変化に応じて動かす必要のある、燃料と空気の体積割合調整機構を作動させること無く、燃料と空気の体積割合を自動制御装置が目標とする値に設定することにより、制御の追従遅れが無くなる。
制御の追従遅れがなくなる結果、急激な混焼率変化による影響を排除し、極めて安定な運転が実現出来る。

上述した第１実施形態及び第２実施形態においては、ガスの種類が変更された場合のみならず、例えば低カロリーガスの発熱量（或いは組成）変動時（組成の変動に関しては、予め変動後の組成が特定出来る場合）に、高カロリーガス側の空気希釈量（空気分率）を変動する制御に適用が可能である。

しかし、低カロリーガスの組成変化をリアルタイムで成分分析することは困難である。
以下の第３実施形態〜第５実施形態は、低カロリーガスの組成変化にリアルタイムで対応して、高カロリーガス側の空気希釈量（空気分率）を変動する制御を行うように構成されている。

次に、図４及び図５を参照して第３実施形態を説明する。
図４、図５の第３実施形態は、熱伝導度から組成を類推する実施形態である。システムの構成としては、第１実施形態の構成（図１）に対して、低カロリー供給ラインＬｇ１のクッションタンク１４と圧力制御弁１５との間に、例えば発熱量計ＱＭ１を介装した実施形態である。構成に関しては、発熱量計ＱＭ１を追加した以外は、図１の第１実施形態と実質的に同様である。

例えば、低カロリーガスがバイオガスであれば、既存の技術（データベース５、又は他の計測器）から類推可能である。そのようにして類推された組成より、空気希釈量（空気分率）を決定することが出来る。

図５を参照して、第３実施形態の制御方法を説明する。
先ず、低カロリーガスの発熱量を低カロリーガス供給ラインＬｇ１に介装した発熱量計（又は成分濃度計）ＱＭ１によって計測する（ステップＳ２１）。次に、データベース５中のマップ、又は特性図から低カロリーガスの発熱量に対応する空気分率αの値を決定する（ステップＳ２２）。

コントロールユニット１０は、決定された空気分率αに対応して流量制御弁３４の開度を調節する（ステップＳ２３）。その後、ステップＳ２１に戻り、再びステップＳ２１以降を繰り返す。

上述したような構成及び制御方法を有する第３実施形態によれば、簡単な発熱量計（又は成分濃度計）ＱＭ１を用いることにより、変更前後の低カロリーガスの発熱量や組成が迅速に把握でき、低カロリーガスの発熱量（組成）変更時にもリアルタイムで高カロリーガスの最適希釈率を求めることが出来る。

次に、図６、図７を参照して第４実施形態を説明する。
図６、図７の第４実施形態は、図１及び図２の第１実施形態に対して、燃料供給ラインＬｆに介装したミキサ４０にミキサ４０の開度を検出する開度センサＯＭ１を取付けた実施形態である。第４実施形態では、ミキサ４０の開度変化と発熱量変化ひいては低カロリーガスの組成変化の関係、特性を予め得ておき、データベース５にそれらの情報を記憶している。そして、その特性により、空気希釈量（空気分率）を決定するように構成されている。

図７を参照して、第４実施形態の制御方法を説明する。
先ず、コントロールユニット１０はミキサ４０に設けられた開度センサＯＭ１からの情報に基づき、ミキサ開度に変化があったか否かをチェックしており（ステップＳ３１のループ）、ミキサ開度に変化があった場合に（ステップＳ３１のＹＥＳ）、ミキサ開度変化量を決定する（ステップＳ３２）。

次に、データベース５中のデータからミキサの開度変化量に対応する発熱量変化、又は組成変化を求める（ステップＳ３３）。
求められた発熱量変化、又は組成変化より、データベース５中の特性、及び／又はマップに基いて空気分率αを決定する（ステップＳ３４）。

次のステップＳ３５では、決定した空気分率αに対応して流量制御弁３４の開度を調節し、再びステップＳ３１に戻り、ステップＳ３１以降を繰り返す。

上述したような構成及び制御方法を有する第４実施形態によれば、ガスエンジン近傍のミキサ４０に設置された開度計ＯＭ１を用いることにより、データベースに記憶されたマップや特性図によって、その計測された開度に対応する発熱量変化および組成変化がリアルタイムで把握出来、その結果低カロリーガスの発熱量（組成）変更時にもリアルタイムで高カロリーガスの最適希釈率を求めることが出来る。

次に、図８、図９を参照して第５実施形態を説明する。
図８、図９の第５実施形態は、「バイオガスの組成(発熱量等)が分かれば高カロリーガス側の空気希釈量を決定することが可能である」ことを利用して、バイオガスの流量変化と発熱量変化との特性を予め得ておき、その後、バイオガスの流量変化に対応して、予め求めておいた特性から空気希釈量（空気分率）を決定する実施形態である。

図８、図９の第５実施形態の構成は、図１で示した第１実施形態の構成に対して、低カロリーガス供給ラインＬｇ１の流量調節弁１６と第２の合流点Ｇ２との間の領域に流量計ＦＭ１を介装し、希釈済み高カロリーガス供給ラインＬｇａの圧力制御弁２４と第２の合流点Ｇ２との間の領域に流量計ＦＭ２を介装している。
加えて、コントロールユニット１０には上記流量計ＦＭ１及びＦＭ２の流量情報に基づいて燃料ガスの流量・混焼率を演算する混焼率演算手段１７が装備されている。以上の追加装備を除けば図１の第１実施形態と実質的に同じである。

図９を参照して、第５実施形態の制御方法を説明する。
先ず、コントロールユニット１０は流量計ＦＭ１からの情報に基づき、低カロリーガス種が変更になったか否かをチェックしており（ステップＳ４１のループ）、低カロリーガス種が変更になった場合に（ステップＳ４１のＹＥＳ）、前記混焼率演算手段１７によって流量・混焼率の変化量を決定する（ステップＳ４２）。

次のステップＳ４３では、データベース５に記憶された特性に基づき決定された流量・混焼率の変化量から空気分率αを決定する。そして、決定したαに対応して希釈用空気の流量調節弁３４の開度を調節し（ステップＳ４４）、再びステップＳ４１に戻り、ステップＳ４１以降を繰り返す。

上述したような構成及び制御方法を有する第５実施形態によれば、流量・混焼率演算手段１７によって、低カロリーガス及び高カロリーガスの流量と混焼率が即座に求めることが可能である。その結果、流量及び混焼率に対応する発熱量変化および組成変化がリアルタイムで把握出来、低カロリーガスの発熱量（組成）変更時にもリアルタイムで高カロリーガスの最適希釈率を求めることが出来る。

尚、第４実施形態及び第５実施形態において、低カロリーガスと高カロリーガスとが既に混ざっている時は、混合率が変わった際に低カロリーガス１００％の場合を較正してやる必要が有る。また、ガスエンジン出力が変動した場合も較正の必要が有る。

係る換算を行うために、既に行われた換算結果を、換算の都度、データデースに記憶して、混合率が変化する度に、データベース５にデータが存在するか否かをチェックすることが好ましい。

図示の実施形態はあくまでも例示であり、本発明の技術的範囲を限定する趣旨の記述ではない旨を付記する。

本発明の第１実施形態の燃料供給系統全体の構成を示すブロック図。 本発明の第1実施形態の制御方法を示す制御フローチャート。 本発明の第２実施形態の制御方法を示す制御フローチャート。 本発明の第３実施形態の燃料供給系統全体の構成を示すブロック図。 本発明の第３実施形態の制御方法を示す制御フローチャート。 本発明の第４実施形態の燃料供給系統全体の構成を示すブロック図。 本発明の第４実施形態の制御方法を示す制御フローチャート。 本発明の第５実施形態の燃料供給系統全体の構成を示すブロック図。 本発明の第５実施形態の制御方法を示す制御フローチャート。 空燃比をコントロールできるタイプの従来のガスエンジンの燃料供給系統の構成を示したブロック図。 空燃比をコントロールできるタイプで且つ出力制御をスロットル弁で行う従来のガスエンジンの燃料供給系統の構成を示したブロック図。

符号の説明

１・・・低カロリーガス供給源
２・・・高カロリーガス供給源
３・・・希釈用空気供給源
５・・・データベース
１０・・・コントロールユニット
１１・・・有水ガスホルダ
１２・・・ガス圧縮機
１３、３２・・・一方向弁
１４、２３・・・クッションタンク
１５、２１、２４・・・圧力制御弁
１６、３４・・・流量調節弁
１７・・・流量・混焼率演算手段
３１・・・空気圧縮装置
３３・・・レシーバタンク
４０・・・ミキサ
１００・・・ガスエンジン
Ｇ１・・・第１の合流点
Ｇ２・・・第２の合流点
Ｌａ・・・希釈用空気供給ライン
Ｌｇ１・・・低カロリーガス供給ライン
Ｌｇ２・・・高カロリーガス供給ライン
Ｌｇａ・・・希釈済み高カロリーガス供給ライン
Ｌｆ・・・燃料供給ライン
Ｌｘ・・・混合ガス供給ライン

Claims (5)

1. 燃焼用の空気供給系統（Ｌａ２）と、組成や発熱量の異なる複数種類の気体燃料の中から予め決定された発熱量が高い気体燃料を供給するための高カロリーガス供給系統（２、Ｌｇ２）と、高カロリーガスより発熱量が低く組成や発熱量の異なる複数種類の気体燃料からなる低カロリーガスを供給するための低カロリーガス供給系統（１、Ｌｇ１）とを具備する気体燃料供給機構を有し、前記高カロリーガス供給系統（２、Ｌｇ２）は空気供給系統（３、Ｌａ）と合流（Ｇ１）して高カロリーガスを空気と混合希釈し、該希釈された気体燃料を供給する希釈済み高カロリーガス供給系統（Ｌｇａ）は前記低カロリーガス供給系統（１、Ｌｇ１）と合流（Ｇ２）するように構成されており、前記低カロリーガス供給系統（１、Ｌｇ１）による低カロリーガスの供給から前記希釈済み高カロリーガス供給系統（Ｌｇａ）による混合気体の供給に変更された旨、或いは、前記希釈済み高カロリーガス供給系統（Ｌｇａ）による混合気体の供給中に低カロリーガスの種類或いは組成が変更された旨を検知する手段と、前記高カロリーガスと空気との混合比を決定する制御手段（１０）とを有し、該制御手段（１０）は、低カロリーガスが高カロリーガスを空気で希釈した混合気体に変更された際に、或いは低カロリーガスの種類或いは組成が変更された際に気体燃料の密度と当量空気量から決定される前記変更前の空燃比（λ_１）と変更後何も制御しない状態での空燃比（λ_２）との比と、前記変更前及び給気圧力が一定となる制御を行った後の気体燃料の空燃比（λ_１）と空燃比（λ_２）との比とが概略等しくなるように前記混合比を決定する機能を有することを特徴とするガスエンジン。
2. 燃焼用の空気供給系統（Ｌａ２）と、組成や発熱量の異なる複数種類の気体燃料の中から予め決定された発熱量が高い気体燃料を供給するための高カロリーガス供給系統（２、Ｌｇ２）と、高カロリーガスより発熱量が低く組成や発熱量の異なる複数種類の気体燃料からなる低カロリーガスを供給するための低カロリーガス供給系統（１、Ｌｇ１）とを具備する気体燃料供給機構を有し、前記高カロリーガス供給系統（１、Ｌｇ１）は空気供給系統（３、Ｌａ）と合流（Ｇ１）して高カロリーガスを空気と混合希釈し、該希釈された気体燃料を供給する希釈済み高カロリーガス供給系統（Ｌｇａ）は前記低カロリーガス供給系統（１、Ｌｇ１）と合流（Ｇ２）するように構成されており、前記低カロリーガス供給系統（１、Ｌｇ１）による低カロリーガスの供給から前記希釈済み高カロリーガス供給系統（Ｌｇａ）による混合気体の供給に変更された旨、或いは、前記希釈済み高カロリーガス供給系統（Ｌｇａ）による混合気体の供給中に低カロリーガスの種類或いは組成が変更された旨を検知する検知工程と、制御手段（１０）により前記高カロリーガスと空気との混合比を決定する決定工程とを有し、該混合比を決定する決定工程では、低カロリーガスを高カロリーガスを空気で希釈した混合気体に変更した際に、或いは、低カロリーガスの種類或いは組成が変更された際に、気体燃料の密度と当量空気量から決定される前記変更前の空燃比（λ_１）と変更後何も制御しない状態での空燃比（λ_２）との比と、前記変更前及び給気圧力が一定となる制御を行った後の気体燃料の空燃比（λ_１）と空燃比（λ_２）との比とが概略等しくなるように前記混合比を決定する決定工程を有していることを特徴とするガスエンジンの制御方法。
3. 低カロリーガスを高カロリーガスを空気で希釈した混合気体に変更した旨、或いは、低カロリーガスの種類或いは組成が変更された旨を検知する検知工程は、熱伝導度、発熱量、比重或いは音速を計測する計測工程と、計測された熱伝導度、発熱量、比重或いは音速から低カロリーガスの組成を推定する推定工程、とを有している請求項２のガスエンジンの制御方法。
4. 低カロリーガスを高カロリーガスを空気で希釈した混合気体に変更した旨、或いは、低カロリーガスの種類或いは組成が変更された旨を検知する検知工程は、ガスエンジン直前のミキサの開度変化を計測する計測工程と、ガスミキサの燃料流量制御弁開度の開度変化から低カロリーガスの組成を推定する推定工程、とを有している請求項２のガスエンジンの制御方法。
5. 低カロリーガスを高カロリーガスを空気で希釈した混合気体に変更した旨、或いは、低カロリーガスの種類或いは組成が変更された旨を検知する検知工程は、低カロリーガスの流量と、高カロリーガスと空気との混合流における流量を計測する計測工程と、計測された流量の変化から低カロリーガスの組成を推定する推定工程、とを有している請求項２のガスエンジンの制御方法。

Images