JP4738426B2

JP4738426B2 - ガスエンジンの制御方法及び装置

Info

Publication number: JP4738426B2
Application number: JP2008027168A
Authority: JP
Inventors: 泰宏佐伯
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2008-02-07
Filing date: 2008-02-07
Publication date: 2011-08-03
Anticipated expiration: 2028-02-07
Also published as: JP2009185718A

Description

本発明は、過給機から給気通路を介して供給される空気と燃料供給通路から供給される燃料ガスを混合して燃焼室内に供給し、着火燃焼せしめるガスエンジンの制御方法及び装置に関し、特に、エンジンの始動時や出力変動時における過給機の応答遅れを解消でき、短時間で所望の出力が得られるようにしたガスエンジンの制御方法及び装置に関する。

一般に過給機を備えたガスエンジンにおいては、エンジンの排気エネルギにより駆動される過給機から給気通路を介して供給される空気（給気）と、燃料供給通路から供給される燃料ガスを混合してエンジンの燃焼室に供給して燃焼運転を行い、駆動力を得る構成となっている。
エンジンの最適な燃焼状態と出力効率を得るためには、燃焼室に供給される燃料流量、給気流量が適正に制御されるとともに、ノッキングや失火を回避した安定運転が可能な空燃比に制御されることが必要となる。従来これらの制御においては、図５に示されるように、発電等に必要とされる所望のエンジン出力が予め設定されており、この設定出力が得られるように燃料流量が設定されるとともに、所要の空燃比となるように前記燃料流量に基づいて必要空気量が算出され、該必要空気量と実際の空気量との偏差に基づいて空気量調整値が算出され、該調整値に対応した給気流量制御弁の開度制御が行われていた。

また、このようなガスエンジンにおいて、エンジン出力（負荷）の変動が伴う場合、エンジンシリンダに空気と燃料ガスとの混合気体の流量または燃料ガスを供給する吸気管に１個の流量制御弁（スロットル弁）を設け、そのスロットル弁によって混合気体または燃料ガスの流量を制御するようにしている。
さらに、他の方法として、過給機で空気のみを圧縮し、その圧縮空気を供給する吸気管に、各気筒の吸気弁の手前で燃料ガスを供給している。このようなガスエンジンの場合、過給機の吐出側と吸気側とをバイパス配管で接続するとともにバイパス配管に１個のスロットル弁を設け、そのスロットル弁によって吸気側に戻す給気流量を制御し、負荷変動に対する制御を行っている。

一方、特許文献１（特開２００３−２６２１３９号公報）には、給気通路を流れる燃料流量の検出値に基づき必要空気量を算出するとともに、給気通路における給気圧力及び給気温度の検出値に基づき実空気量を算出し、実空気量が必要空気量に一致するように給気通路における給気量を制御するようにした方法が開示されている。

特開２００３−２６２１３９号公報

しかしながら、過給機を備えたエンジンの出力制御においては、過給機がエンジンの排気エネルギにより駆動する構成であるため、過給機の能力に応じた出力変化率しか見込めず、エンジン始動時においては定格運転に到達するまでに時間を要するという問題があった。また、出力変動時においては、設定された目標出力に見合った燃料流量に制御されるが、この際にも過給機の応答遅れにより適切な運転制御が困難であった、特に、廃棄物ガス等の組成や発熱量が変動する燃料ガスを用いる場合、エンジンの燃焼状態が変動し、これにより排気エネルギーの変動によって排気ターボ過給機
の過給機回転数が変動し、該過給機回転数の変動によってエンジンへの給気の圧力変動が発生し、この給気圧力変動およびこれに伴う給気量変動によって、エンジンの安定燃焼が行われなくなるという事態が発生し易くなる。
そこで過給機を大型化することにより目標出力に到達するまでの時間の短縮が図れるが、コストが大幅に増大してしまう。一方、出力変化率を大きくすると、過給機の時間遅れにより給気が追従できず、ノッキングが発生してしまうという問題があった。
従って、本発明は上記従来技術の問題点に鑑み、エンジンの始動時や出力変動時における過給機の応答遅れを解消でき、短時間で所望の出力が得られるガスエンジンの制御方法及び装置を提供することを目的とする。

そこで、本発明はかかる課題を解決するために、過給機を介して給気され給気流量制御弁により給気流量が制御された空気と、燃料流量制御弁により燃料供給量が制御された燃料ガスとを所要の空燃比にて混合して燃焼室内に供給し、エンジンを着火燃焼せしめるガスエンジンの制御方法において、
始動時若しくはエンジン出力変動時にて、予め所望の出力が得られる出力変化率が設定されており、
前記出力変化率に応じた燃料供給量に制御するとともに、現時点ｔから時間αだけ先行した時間ｔ＋αにおける燃料供給量に対して所要の空燃比となる理論空気量を算出し、該算出した理論空気量と、現時点における実際の空気量の偏差に基づいて前記給気流量を制御し、更に前記エンジンの適正な燃焼状態における筒内圧が適正筒内圧領域として予め設定されており、前記エンジンの筒内圧を検出し、該検出した筒内圧が前記適正筒内圧領域を超える場合には、空気量不足と判断して前記設定出力変化率を低減することを特徴とする。

本発明によれば、エンジンの始動時や出力変動時における過給機の応答遅れを解消でき、空気量不足によるノッキングや燃料希薄による失火等の不具合を発生することなく短時間で所望の出力を得ることができるガスエンジンの制御方法及び装置を提供できる。

また、前記エンジンの適正な燃焼状態における筒内圧が適正筒内圧領域として予め設定されており、前記エンジンの筒内圧を検出し、該検出した筒内圧が前記適正筒内圧領域を下回り、且つ前記出力変化率が正の値である場合には、燃料希薄と判断して前記先行時間αを小さくすることを特徴とする。

このように、エンジンの筒内圧を検出して該筒内圧に基づいて燃焼診断を行うことにより、空気量を適正に先行制御することが可能となる。即ち、筒内圧が、適正な燃焼状態を示す適正筒内圧領域を超える場合には、空気量不足と判断してエンジンの出力変化率を低く補正することにより給気不足を解消することが可能となる。筒内圧が適正筒内圧領域を下回り、且つ前記出力変化率が正の値である場合には、給気量が燃料供給量に比べて多すぎると判断し、先行時間αを小さくするように補正することにより給気量過多を解消することが可能となる。

また、過給機を介して給気された空気の燃焼室への供給量を制御する給気流量制御弁と、燃料供給量の該燃焼室への供給量を制御する燃料流量制御弁とを備えるとともに、前記空気と前記燃料ガスとを所要の空燃比にて混合して燃焼室内に供給する燃料噴射装置とを備えたガスエンジンの制御装置において、
前記制御装置には、始動時若しくはエンジン出力変動時にて、予め所望の出力が得られる出力変化率が設定されており、
該制御装置は、前記出力変化率に応じた燃料供給量に制御する燃料供給量制御手段を備えるとともに、現時点ｔから時間αだけ先行した時間ｔ＋αにおける燃料供給量に対して所要の空燃比となる理論空気量を算出し、該算出した理論空気量と、現時点における実際の空気量の偏差に基づいて前記給気流量の調整値を算出する算出手段を備え、該算出された調整値に基づいて前記給気流量制御弁を制御し、
更に前記エンジンの筒内圧を検出する筒内圧センサを備えるとともに、前記制御装置が前記エンジンの燃焼状態を診断する燃焼診断手段を備えており、
前記燃焼診断手段には前記エンジンの適正な燃焼状態における筒内圧が適正筒内圧領域として予め設定されており、該燃焼診断手段は、前記筒内圧センサにより前記エンジンの筒内圧を検出し、該検出した筒内圧が前記適正筒内圧領域を超える場合には、空気量不足と判断して前記出力変化率を低減することを特徴とする。

さらに、前記エンジンの筒内圧を検出する筒内圧センサを備えるとともに、前記制御装置が前記エンジンの燃焼状態を診断する燃焼診断手段を備えており、
前記燃焼診断手段には前記エンジンの適正な燃焼状態における筒内圧が適正筒内圧領域として予め設定されており、該燃焼診断手段は、前記筒内圧センサにより前記エンジンの筒内圧を検出し、該検出した筒内圧が前記適正筒内圧領域を下回り且つ前記出力変化率が正の値である場合には、燃料希薄と判断して前記先行時間αを小さくすることを特徴とする。

以上記載のごとく本発明によれば、エンジンの始動時や出力変動時における過給機の応答遅れを解消でき、空気量不足によるノッキングや燃料希薄による失火等の不具合を発生することなく短時間で所望の出力を得ることができるガスエンジンの制御方法及び装置を提供できる。
また、エンジンの筒内圧を検出して該筒内圧に基づいて燃焼診断を行うことにより、空気量を適正に先行制御することが可能となる。即ち、筒内圧が、適正な燃焼状態を示す適正筒内圧領域を超える場合には、空気量不足と判断してエンジンの出力変化率を低く補正することにより給気不足を解消することが可能となる。筒内圧が適正筒内圧領域を下回る場合には、給気量が燃料供給量に比べて多すぎると判断し、先行時間αを小さくするように補正することにより給気量過多を解消することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
図１は本発明の実施例に係る多気筒ガスエンジンの全体構成図、図２は本実施例に係るガスエンジンの燃焼空気量制御を説明する図、図３は本実施例に係る燃焼診断処理を示すフローチャート、図４は設定出力と燃焼空気量の関係を示すグラフである。

図１を参照して、本実施例に係るガスエンジンの全体構成につき説明する。本実施例では、一例として発電機を駆動するための過給機付きガスエンジンで、且つ点火用副室を有する構成につき示しているが、本実施例の構成はこの形式のガスエンジンに限定されるものではなく、燃焼方式によるガスエンジンにも適用可能である。また、駆動対象は図示されるように発電機が好ましいが、発電機以外の場合にも適用可能である。

同図に示すように、１はエンジン、２は該エンジン１のシリンダ（この例では４シリンダの場合を示す）、３は該エンジン１により駆動される発電機である。４は排気ターボ過給機（以下過給機という）で、前記シリンダ２の排気ポートから排気通路５を通って導入される排気ガスによって駆動されるタービン４ａ及び該タービン４ａと同軸の空気圧縮用のコンプレッサ４ｂよりなる公知のものである。６はタービン４ａの排気出口に接続される排気出口管である。７は前記過給機４におけるコンプレッサ４ｂの給気（空気）出口と各シリンダ２とを接続する給気通路で、途中で分岐して各シリンダ２に接続されている。また該給気通路７の途中には、コンプレッサ４ｂ出口からの給気を冷却する空気冷却器１９が設けられている。

１０は前記給気通路７の各シリンダ２入口側にシリンダ２毎に配設された燃料噴射装置、１１は燃料ガス（以下燃料という）の供給源（図示省略）からの燃料供給主管、１２は該燃料供給主管１１からシリンダ２毎に分岐して前記各燃料噴射装置１０に接続される燃料供給管である。１３はその開度により燃料供給量を調整する燃料流量制御弁である。また、前記燃料供給主管１１上には、シリンダ２へ供給される燃料ガスを所定の圧力に調圧するレギュレータ（図示略）が配設されている。

１４は前記燃料供給主管１１における燃料ガスの燃料流量即ち燃料噴射量を検出する燃料流量検出器、１５は前記燃料ガスの燃料圧力を検出する燃料圧力検出器、１６は前記燃料ガスの燃料温度を検出する燃料温度検出器、１００は後述する演算、制御を行う制御装置であり、前記燃料流量検出器１４からの燃料流量の検出値、燃料圧力検出器１５からの燃料圧力の検出値、及び前記燃料温度検出器１６からの燃料温度の検出値は夫々前記制御装置１００に入力される。また、１７は前記給気通路７における給気（吸入空気）の圧力を検出する給気圧力検出器、１８は前記給気通路７における給気の温度を検出する給気温度検出器であり、該給気圧力検出器１７からの給気圧力の検出値、及び給気温度検出器１８からの給気温度の検出値は夫々前記制御装置１００に入力される。

８は前記給気通路７から分岐されて外部に連通される給気放出管、９は該給気放出管８に設けられて、後述する手法により前記給気通路７からの給気放出量を制御する給気流量制御弁である。尚、本実施例では、給気量を調整する手段として給気放出管８上に配設され、放出する空気量に基づいて給気流量を調整する制御弁を備えた構成につき一例として示したが、これに限定されるものではなく、給気通路７上に設置され直接給気流量を制御する制御弁を備えた構成としてもよい。

上記構成からなる多気筒ガスエンジンの空燃比制御装置において、エンジン１からの排気ガスは排気通路５を経て過給機４のタービン４ａを駆動し、排気出口管６から外部に排出される。該タービン４ａで同軸駆動されるコンプレッサ４ｂにより加圧された給気（空気）は、前記空気冷却器１９にて冷却、降温され給気通路７を通って各シリンダ２の燃料噴射装置１０に導入される。一方、燃料供給主管１１からの燃料は各シリンダの燃料供給管１２に分岐されて前記燃料噴射装置１０に導入される。そして該燃料噴射装置１０において前記給気と燃料とが混合せしめられて混合気となって各シリンダ２に供給され、燃焼に供される。

次に、図２乃至図４を参照して、上記した構成からなるガスエンジンの制御装置における動作を説明する。
制御装置１００には、所望の発電出力を得るためのエンジン出力（負荷）が予め設定されている。この設定出力は、始動時の場合、例えば図２のグラフに示されるように、時間に対して出力の増加率が設定されている。尚、本実施例では、過給機４の能力等を考慮した上で、２段階の増加率を有するように設定される。
制御装置１００により燃料流量検出器１４により検出される燃料流量に基づいて燃料流量制御弁１３を制御し、前記設定出力が得られるように燃料供給量を調整している。

また、制御装置１００には実際のエンジン出力が入力され、該制御装置１００にて、このエンジン出力に応じて最適な燃焼状態及び効率が得られる空燃比となるような理論空気量を算出する。この最適な空燃比は、空気量不足によるノッキング或いは燃料希薄による失火が発生しない範囲に予め設定されている。
従来の制御方法では図５に示すように、該算出された理論空気量と、実際の空気量との偏差に基づいて給気量の調整値が求められ、該調整値に対応して給気流量制御弁９を制御するようになっている。

これに対して、本実施例の制御方法では、図２に示すように、制御装置１００にて、現在の時間ｔに対してαだけ先の時間ｔ＋αの設定出力における理論空気量を算出し、該算出した理論空気量（ｔ＋α）と、実際の空気量との差分に基づいて必要とされる給気量が得られるように給気流量制御弁９を制御する。前記実際の空気量は、給気圧力検出器１７で検出された給気圧力Ｐｓと、給気温度検出器１８で検出された給気温度Ｔｓとから算出される。

さらに本実施例では、上記のごとく制御された給気量に対して燃焼診断を行い、該燃焼診断に基づいて制御設定値の補正を行うことが好ましい。
図３に、燃焼診断の処理フローを示す。まず、上記したように、エンジンの設定出力に対して、時間ｔ＋αの時点に対応した給気制御を行う（Ｓ１）。

そして、各シリンダ２の筒内圧を検出する筒内圧センサ２１により、燃焼診断を行う（Ｓ２）。該燃焼診断では、適正な燃焼状態を示す筒内圧の範囲となる適正筒内圧領域を予め設定しておき、筒内圧センサ２１により検出された筒内圧が前記適正筒内圧領域を下回る場合には、燃料希薄による消炎と判定する。さらに、該失火を表す適性筒内圧領域を下回る場合には、燃料希薄がより顕著に現れたことによる失火と判定する。予め消炎回数の限界値となる消炎判定回数ｎ_ｑと、失火回数の限界値となる失火判定回数ｎ_ｍとを設定しておき、シリンダ番号１〜シリンダ番号Ｌまで各シリンダにおいて、Ｎ燃焼サイクル中の消炎判定回数＞ｎ_ｑ、又はＮ燃焼サイクル中の失火判定回数＞ｎ_ｍか否かを判定し（Ｓ３〜Ｓ４）、少なくとも何れかのシリンダがこれに該当する場合には、給気量が燃料供給量に比べて多すぎると判断し、先行時間αを小さくするように補正する。始動時や出力増加時においては、給気過多のため給気量ｆ（ｔ＋α）のαを減少させる補正を行う（Ｓ５）。

一方、前記筒内圧センサ２１により検出された筒内圧が、適正筒内圧領域より大きい場合には、ノックと判定する。これに該当する場合には、予め設定された設定出力が高すぎて、過給機による給気が追従できず給気量の不足が生じる現象であり、空気量不足によるノッキング等の不具合が発生する可能性がある。予めノック回数の限界値となるノック判定回数ｎ_ｋを設定しておき、シリンダ番号１〜シリンダ番号Ｌまで各シリンダにおいて、Ｎ燃焼サイクル中のノック判定回数＞ｎ_ｋか否かを判定し（Ｓ６〜Ｓ７）、少なくとも何れかのシリンダがこれに該当する場合には、設定出力の変化率（ＫＷ／分）を減少させる補正を行う（Ｓ８）。例えば、図４のＡに示すような出力変化率が設定されている場合、該出力変化率を減少させてＢに示す出力変化率に補正する。この補正を行うことにより、給気不足を解消することが可能となる。

本実施例のように、空気量制御のみを先行制御することにより、過給機の応答遅れを解消でき、短時間で所望の出力を得ることが可能となる。
また、随時、シリンダの筒内圧を検出して該筒内圧に基づいて燃焼診断を行うことにより、空気量を適正に先行制御することが可能となる。即ち、筒内圧が、適正な燃焼状態を示す適正筒内圧領域を超える場合には、空気量不足と判断してエンジン２の設定出力を低く補正することにより空気量不足を解消することが可能となる。筒内圧が適正筒内圧領域を下回る場合には、空気量が燃料供給量に比べて多すぎると判断し、先行時間αを小さくするように補正することにより空気量過多を解消することが可能となる。

本実施例に係るガスエンジンの制御方法及び装置は、エンジンの始動時や出力変動時における過給機の応答遅れを解消でき、短時間で所望の出力が得られるため、ガスエンジン発電設備を初めとして各種ガスエンジンに幅広く適用できる。

本発明の実施例に係る多気筒ガスエンジンの全体構成図である。本実施例に係るガスエンジンの燃焼空気量制御を説明する図である。本実施例に係るガスエンジンの燃焼診断処理を示すフローチャートである。本実施例に基づき設定出力変化率を減少する場合の時間に対する設定出力の関係を示すグラフである。従来の燃焼空気量制御を説明する図である。

符号の説明

１エンジン
２シリンダ
３発電機
４過給機
４ａタービン
４ｂコンプレッサ
５排気通路
６排気出口管
７給気通路
８給気放出管
９給気流量制御弁
１０燃料噴射装置
１１燃料供給主管
１２燃料供給管
１３燃料流量制御弁
１４燃料流量検出器
１５燃料圧力検出器
１６燃料温度検出器
１７給気圧力検出器
１８給気温度検出器
１９空気冷却器
２１筒内圧センサ
１００制御装置

Claims

過給機を介して給気され給気流量制御弁により給気流量が制御された空気と、燃料流量制御弁により燃料供給量が制御された燃料ガスとを所要の空燃比にて混合して燃焼室内に供給し、エンジンを着火燃焼せしめるガスエンジンの制御方法において、
始動時若しくはエンジン出力変動時にて、予め所望の出力が得られる出力変化率が設定されており、
前記出力変化率に応じた燃料供給量に制御するとともに、現時点ｔから時間αだけ先行した時間ｔ＋αにおける燃料供給量に対して所要の空燃比となる理論空気量を算出し、該算出した理論空気量と、現時点における実際の空気量の偏差に基づいて前記給気流量を制御し、更に前記エンジンの適正な燃焼状態における筒内圧が適正筒内圧領域として予め設定されており、前記エンジンの筒内圧を検出し、該検出した筒内圧が前記適正筒内圧領域を超える場合には、空気量不足と判断して前記設定出力変化率を低減することを特徴とするガスエンジンの制御方法。
前記エンジンの適正な燃焼状態における筒内圧が適正筒内圧領域として予め設定されており、前記エンジンの筒内圧を検出し、該検出した筒内圧が前記適正筒内圧領域を下回り、且つ前記出力変化率が正の値である場合には、燃料希薄と判断して前記先行時間αを小さくすることを特徴とする請求項１記載のガスエンジンの制御方法。
過給機を介して給気された空気の燃焼室への供給量を制御する給気流量制御弁と、燃料供給量の該燃焼室への供給量を制御する燃料流量制御弁とを備えるとともに、前記空気と前記燃料ガスとを所要の空燃比にて混合して燃焼室内に供給する燃料噴射装置とを備えたガスエンジンの制御装置において、
前記制御装置には、始動時若しくはエンジン出力変動時にて、予め所望の出力が得られる出力変化率が設定されており、
該制御装置は、前記出力変化率に応じた燃料供給量に制御する燃料供給量制御手段を備えるとともに、現時点ｔから時間αだけ先行した時間ｔ＋αにおける燃料供給量に対して所要の空燃比となる理論空気量を算出し、該算出した理論空気量と、現時点における実際の空気量の偏差に基づいて前記給気流量の調整値を算出する算出手段を備え、該算出された調整値に基づいて前記給気流量制御弁を制御し、
更に前記エンジンの筒内圧を検出する筒内圧センサを備えるとともに、前記制御装置が前記エンジンの燃焼状態を診断する燃焼診断手段を備えており、
前記燃焼診断手段には前記エンジンの適正な燃焼状態における筒内圧が適正筒内圧領域として予め設定されており、該燃焼診断手段は、前記筒内圧センサにより前記エンジンの筒内圧を検出し、該検出した筒内圧が前記適正筒内圧領域を超える場合には、空気量不足と判断して前記出力変化率を低減することを特徴とするガスエンジンの制御装置。
前記エンジンの筒内圧を検出する筒内圧センサを備えるとともに、前記制御装置が前記エンジンの燃焼状態を診断する燃焼診断手段を備えており、
前記燃焼診断手段には前記エンジンの適正な燃焼状態における筒内圧が適正筒内圧領域として予め設定されており、該燃焼診断手段は、前記筒内圧センサにより前記エンジンの筒内圧を検出し、該検出した筒内圧が前記適正筒内圧領域を下回り且つ前記出力変化率が正の値である場合には、燃料希薄と判断して前記先行時間αを小さくすることを特徴とする請求項３記載のガスエンジンの制御装置。