JP4772846B2 - ガスエンジンのノッキング制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、天然ガスや都市ガス等のガス燃料を主燃料とするレシプロ型ガスエンジンのノッキング制御装置に関する。

発電設備に利用されるガスエンジンでは、ノッキングが出現するかどうかギリギリの状態での運転が継続されているときに高い発電効率が得られることが知られている。他方、高強度のノッキングは気筒を損傷させる原因となるため、できるだけこれを出現させないことが求められている。

このため、従来、ノッキングの出現を制御するガスエンジンのノッキング制御装置が提案されている（例えば特許文献１参照）。このノッキング制御装置は、ノッキングの出現率が所定閾値を超えた場合に、ノッキングの出現を防止するためその気筒に対する燃料供給量や点火タイミングを変更する制御を行う構成となっている。この出現率の算出は所定サイクル経過するたびに行われており、このように算出される出現率と閾値との偏差に応じて、燃料供給量や点火タイミングを変更するための補正値が所定サイクルごとに決定される。特に、ノッキングの出現が多いときには燃料供給量が減じられるようになっており、これによりノッキングの出現を抑制するようにしている。
特開２００７−２４７５６９号公報

しかし、高い発電効率を得るようにガスエンジンが上述した状態で運転しているときには、ノッキングの出現率が安定しなくなる。すなわち、特許文献１の装置によれば、所定サイクル経過するたびにノッキングの出現率が大きく変化するようなときに、燃料供給量や点火タイミングがこれに追従して所定サイクルごとに大きく変化することとなり、エンジンの運転が安定しにくくなる。また、これを避けるために閾値を大きい値に設定した場合には、ノッキング出現率と閾値との偏差が小さくなり、結果的にノッキングの出現が過小評価されてノッキングを十分に抑制することができなくなる。更には、燃料供給量を減じてノッキングの出現を抑制すると、所望のエンジン出力を得ることができなくなるという問題もある。

そこで本発明は、ガスエンジンの運転を不安定にさせずに所望のエンジン出力を保持しつつもノッキングを十分に抑制することを目的としている。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、本発明に係るガスエンジンのノッキング制御装置は、ガスエンジンに供給された混合気を点火するための点火手段と、前記ガスエンジンの気筒におけるノッキングを検知するノッキング検知手段と、前記ガスエンジンの位相角を検出する位相角検知手段と、前記点火手段を駆動制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、所定サイクル数経過する間に所定のノッキングが出現したサイクル数の前記所定サイクル数に対する割合であるノッキング出現率を算出し、前記ノッキング出現率を遅れ演算して算出した出現率遅れ演算値と所定の出現率目標値との偏差に基づいて前記点火手段の点火タイミングの目標値を決定し、点火タイミングが該目標値に応じて決まる指令値となるよう前記点火手段を駆動制御する構成としたことを特徴としている。

このような構成とすることにより、出現率遅れ演算値は過去のノッキング出現率の履歴を含んだ値となる。このため、ノッキング出現率が所定サイクル経過するたびに大きく変化するようなことがあっても、この変化によって点火タイミングが大きく変化するようなことがない。従ってノッキングの出現を抑制しつつ安定したガスエンジンの運転を確保することができる。更には、点火タイミングを変更することによってノッキングの出現率を制御しており、燃料供給量を変更する場合と比べ、所望のエンジン出力を保持することも可能となる。

前記制御手段は、前記出現率遅れ演算値が前記出現率目標値よりも大きいときに点火タイミングを遅角させ、前記出現率遅れ演算値が前記出現率目標値よりも小さいときに点火タイミングを進角させる構成としてもよい。このとき、点火タイミングを遅角するときにおける単位期間あたりの点火タイミングの遅角量が、点火タイミングを進角するときにおける単位期間あたりの点火タイミングの進角量に比べて大きいことが好ましい。このような構成とすることにより、点火タイミングを遅角してノッキングの出現率を下げたいときにはこれが速やかに実現され、点火タイミングを進角してガスエンジンの出力効率を上昇させるときにはこれがゆっくりと安全に実現される。この結果、ノッキングの発生を速やかに抑制しつつも、効果的なノッキング制御を可能としている。

前記制御手段は、前記点火手段の点火タイミングの指令値を遅れ演算することにより点火タイミングの基準値を算出し、前記出現率遅れ演算値と前記出現率目標値との偏差に基づいて決定した補正値を前記基準値に加算することによって前記点火手段の点火タイミングの目標値を決定する構成としてもよい。このような構成とすることにより、点火タイミングがノッキング出現率と同様に過去のデータを考慮した値となり、決定される点火タイミングの目標値を安定させることができる。なお、ここでいう「補正値」は正の値及び負の値を含む概念である。

前記ノッキング検知手段は、ノッキングをその強度に応じて複数段階に分けて検知し、前記制御手段は、前記所定サイクル経過する間に所定強度以上のノッキングが出現したサイクル数が閾値を超えるときに、該サイクル数に応じて前記点火手段の点火タイミングの遅角量を算出し、前記出現率遅れ演算値と前記出現率目標値との偏差に基づいて決定した補正値を前記基準値に加算することによって算出された前記点火手段の点火タイミングの目標値を前記遅角量だけ遅角させる構成としてもよい。このような構成とすることにより、遅れ演算とは別に点火タイミングが遅角されるため、エンジンに対する負担が大きい所定強度以上のノッキングが出現した場合には、速やかにこのようなノッキングが抑制されてガスエンジンが損傷するのを避けることができる。

なお、前記遅れ演算は移動平均であってもよい。また、前記ガスエンジンに混合気が供給される主燃焼室及び副燃焼室が設けられ、前記点火手段は、前記副燃焼室に供給された混合気を火花点火する点火プラグを備えていてもよい。

このように本発明によれば、ガスエンジンの運転を不安定にさせることなく所望のエンジン出力を保持しつつもノッキングの出現率を目標とする出現率に近づけるようノッキングを抑制することができる。

以下、添付図面を参照しながら本発明に係る実施形態について説明する。

図１は本発明に係る実施形態のガスエンジンのノッキング制御装置の構成を示す構成図である。図１に示すガスエンジン１は、天然ガスや都市ガス等のガス燃料を主燃料とするレシプロ型の多気筒４サイクルエンジンであり、例えば発電設備の原動機として利用される。図１ではガスエンジン１の気筒２の一つを代表して示すが、図示しない他の気筒も同様の構成となっている。

気筒２にはピストン３が往復動可能に挿入されており、ピストン３はガスエンジン１の出力軸であるクランク軸（図示せず）と連結されている。気筒２のうちピストン３の上方は主燃焼室４をなしている。主燃焼室４には、給気弁５を介在させて給気ポート６が接続され、排気弁７を介在させて排気ポート８が接続されている。給気ポート６内にはガス燃料を噴射する主燃料供給弁９が設けられている。

また、主燃焼室４には副燃焼室１０が隣接している。副燃焼室１０は、隔壁１１を介して主燃焼室４と区画され、隔壁１１に形成された連通孔１２を介して主燃焼室４と連通している。この副燃焼室１０にはガス燃料を噴射する副燃料供給弁１３と、混合気を点火するための点火プラグ１４とが設けられている。

このガスエンジン１によれば、給気行程において、主燃焼室４には給気ポート６を介し、外部空気と主燃料供給弁９が噴射するガス燃料とを含む混合気が供給され、副燃焼室１０には副燃料供給弁１３が噴射するガス燃料を含む混合気が供給される。圧縮行程において主燃焼室４及び副燃焼室１０内の混合気が圧縮された後、点火プラグ１４が所定のタイミングで動作して副燃焼室１０内の混合気が着火される。副燃焼室１０内で発生した火炎は連通孔１２を通じて主燃焼室４内に伝播し、この火炎によって主燃焼室４内の混合気が着火される。これによりピストン３が下動する（膨張行程）。そして、排気行程において、主燃焼室４内のガスは排気ポート８を介して外部に排出される。

なお、排気ポート８に接続される排気通路１５は図示しない過給機に接続され、この排気通路１５に介在するバイパス流路１６上には給気圧を調整するための排気バイパス弁１７が設けられている。給気行程においては、図示しない過給機からの高圧エアも給気ポート６に供給される。

ガスエンジン１は上記４行程を１サイクルとして動作する。この１サイクルの間にピストン３が２往復し、クランク軸が２回転し、給気弁５及び排気弁７を駆動する動弁系を構成するカム軸（図示せず）が１回転する。つまり、この１サイクルの動作の間におけるピストン３の位置、クランク軸の回転角（クランク角）、又はカム軸の回転角などをガスエンジン１の位相角として扱うことができる。

図１に示すように、本発明の実施形態に係るガスエンジン１のノッキング制御装置２０は、ＣＰＵ、メモリ及び入出力インターフェースを有した主制御装置２１を備えている。メモリには後述するノッキング出現率制御の制御プログラム等が記憶され、ＣＰＵによってこの制御プログラムが実行される。

主制御装置２１は、電磁弁である主燃料供給弁９及び副燃料供給弁１３に駆動信号を出力するガス弁制御装置２２に接続され、このガス弁制御装置２２に指令信号を出力して各燃料供給弁９，１３を駆動制御する。また、主制御装置２１は、点火プラグ１４に駆動信号を出力する点火プラグドライバ２３に接続されている。主制御装置２１は、このドライバ２３に指令信号を出力してドライバ２３及び点火プラグ１４を駆動制御し、これにより混合気の点火タイミングを制御する。この点火プラグ１４の駆動制御は気筒２ごとに独立して行われる。

ノッキング制御装置２０は、燃料供給弁９，１３の動作期間や点火プラグ１４による混合気の点火タイミングを制御するため、ガスエンジン１の位相角を検知するための位相角検知装置２４を備えており、主制御装置２１、ガス弁制御装置２２及び点火プラグドライバ２３には位相角検知装置２４からの信号が入力される。位相角検知装置２４は、電磁ピックアップ、近接スイッチ又はロータリーエンコーダによって構成してもよい。

ノッキング制御装置２０は、ノッキングの出現を検知するノッキング検知装置２５を備えている。このノッキング検知装置２５には、位相角検知装置２４と、気筒２の内圧を検知する筒内圧センサ２６とが接続されている。ノッキング検知装置２５は、ガスエンジン１の位相角と気筒２の内圧変動とに基づいて、１サイクルごとに、気筒２の燃焼状態が「通常」、「失火」、「小ノック」及び「大ノック」の４つの状態のうちいずれに属するのかを判定する。筒内圧センサ２６は各気筒２に個別に設けられており、ノッキング検知装置２５により各気筒２の燃焼状態が個別に判定される。主制御装置２１にはこのノッキング検知装置２５による判定結果が入力される。

図２はこのノッキング検知装置２５が行う燃焼状態の判定処理の説明図である。図２に示すように、筒内圧センサにより筒内圧の波形が計測されると、ノッキング検知装置は、この波形をフィルタに通して高周波成分を抽出する。データを抽出する範囲は、ピストンが上死点に達してからの所定時間（例えば２０ｍｓｅｃ）に設定される。そしてこの時間内における高周波成分が複数個（Ｎ）サンプリングされ、サンプリングされた各成分の平均値が算出される。この平均値が第１閾値以上である場合には、気筒の燃焼状態が「大ノック」の状態であると判定され、この平均値が第１閾値未満且つ第２閾値以上である場合には、気筒の燃焼状態が「小ノック」の状態であると判定される。「大ノック」及び「小ノック」はいずれも第２閾値に基づいて気筒にノッキングが出現している状態を示すものであるが、「大ノック」は第１閾値に基づく所定強度以上のノッキングが出現している状態であることを示し、「小ノック」は第１閾値に基づく所定強度未満のノッキングが出現している状態であることを示している。

また、筒内圧センサにより筒内圧の波形が計測されると、ノッキング検知装置は、上死点前後の筒内圧を比較し、この比較により得られた圧力偏差ΔＰが閾値を超えているか否かを判定する。圧力偏差ΔＰが閾値未満である場合には、気筒の燃焼状態が「失火」の状態であると判定され、圧力偏差ΔＰが閾値以上であって上記平均値が第２閾値未満である場合には、気筒の燃焼状態が「通常」の状態であると判定される。

図１に戻ると、主制御装置２１には、その他発電機出力、給気圧、給気温度、排気温度が入力される。主制御装置２１は、発電機出力に対して所定の給気圧となるよう排気バイパス弁１７の開度を調節する制御を行い、これにより混合気の空燃比が発電機出力に応じた所定値に維持される。また、主制御装置２１は各気筒２の排気温度を均一にする制御を行い、これにより各気筒２が分担する負荷がならされる。また、ガス弁制御装置２２は、給気圧とガス燃料の圧力との差圧が所定値となるようにガス燃料の圧力を調整し、これにより電磁弁である主燃料供給弁９が給気圧の大小に関わらず安定した開閉動作を行うようになる。

以下、図１を参照しつつ図３に基づいて、ノッキング制御装置２０の主制御装置２１が実行するノッキング出現率制御について説明する。

このノッキング出現率制御は、各気筒２のノッキング出現率ＳＥＶを所定の目標値ＳＥＶ_SETに近づけることを目的としており、その概要は、ガスエンジン１が所定サイクル数Ｎ（例えば５０サイクル）運転するたびに、各気筒２における混合気の点火タイミングの目標値ＩＧＮ_SET2を更新し、この目標値ＩＧＮ_SET2に基づいて決定された指令値ＩＧＮを点火プラグドライバ２３に出力して点火プラグ１４を駆動制御する、というものである。公知のとおり、点火タイミングが遅角されるとノッキングが出現しにくくなり、点火タイミングが進角されるとノッキングが出現しやすくなる。

この制御内容によれば、主制御装置２１はその機能ブロックとして、ノッキング出現率算出部３１、出現率遅れ演算部３２、偏差・補正値算出部３３、基準値算出部３４、一次目標値算出部３５、遅角量算出部３６、二次目標値算出部３７、及び変化率制限部３８を有している。

ノッキング出現率制御の内容について具体的に説明する。図３に示すように、主制御装置２１には、１サイクルごとに、ノッキング検知装置２５によって判定された気筒２の燃焼状態が入力されている。主制御装置２１のノッキング出現率算出部３１は、位相角検知装置２５から入力される信号に基づいてガスエンジン１が所定サイクル数Ｎだけ運転したと判定すると、この間に小ノックが出現したサイクル数Ｎ_Lの所定サイクル数Ｎに対する割合ＳＥＶを算出する（ＳＥＶ＝Ｎ_L／Ｎ）。以下では、この割合ＳＥＶを「ノッキング出現率」と呼んで説明している。

主制御装置２１の出現率遅れ演算部３２は、直近から所定期間（本書では便宜的に符号Ｔを付記する）だけ遡ってノッキング出現率ＳＥＶを遅れ演算する。ここでは遅れ演算の演算手法として移動平均が用いられており、この出現率遅れ演算部３２において出現率平均値ＳＥＶ_AVEが算出される。なお、移動平均は、単純移動平均であってもよいし、現在に近いノッキング出現率に対する重み付けを高くした加重移動平均であってもよい。また、この遅れ演算の演算手法は一次遅れ演算であってもよい。

この遅れ演算の演算範囲である所定期間Ｔには、ノッキング出現率ＳＥＶを取得するために確保された上記所定サイクル数Ｎに対して十分に大きい期間（例えば数分）が設定されている。このため、主制御装置２１のメモリには、直近から少なくとも該所定期間Ｔだけ遡って過去のノッキング出現率が記憶される。

また、主制御装置２１のメモリには、ノッキング出現率の目標値ＳＥＶ_SETが予め記憶されている。ノッキング出現率がこの出現率目標値ＳＥＶ_SETである状態においてガスエンジン１が継続して運転されると、高い発電効率が達成されるとともにガスエンジン１に大きな損傷を与えることがない。このような出現率目標値ＳＥＶ_SETは実験又は数値シミュレーションによって得られた値である。

主制御装置２１の偏差・補正値算出部３３は、出現率平均値ＳＥＶ_AVEと出現率目標値ＳＥＶ_SETとを比較して偏差ΔＳＥＶを算出する。ここでは、偏差ΔＳＥＶの算出にあたって出現率目標値ＳＥＶ_SETを正、出現率平均値ＳＥＶ_AVEを負としている（ΔＳＥＶ＝ＳＥＶ_SET−ＳＥＶ_AVE）。さらに偏差・補正値算出部３３は、この偏差ΔＳＥＶにゲインＫ₁を積算することによって補正値ΔＩＧＮ_SEVを算出する（ΔＩＧＮ_SEV＝ΔＳＥＶ×Ｋ₁）。偏差ΔＳＥＶが正のとき、つまりノッキングの出現率が目標よりも低い状況では、この補正値ΔＩＧＮ_SEVが正となり、その逆の場合は補正値ΔＩＧＮ_SEVが負となる。

主制御装置２１の一次目標値算出部３５は、基準値算出部３４において算出された基準値ＩＧＮ_AVEにこの補正値ΔＩＧＮ_SEVを加算することにより、点火タイミングの一次目標値ＩＧＮ_SET1を算出する（ＩＧＮ_SET1＝ＩＧＮ_AVE＋ΔＩＧＮ_SEV）。補正値ΔＩＧＮ_SEVが正のときには、一次目標値ＩＧＮ_SET1は基準値ＩＧＮ_AVEを補正値ΔＩＧＮ_SEVだけ進角側に変更した値となり、補正値ΔＩＧＮ_SEVが負のときにはその逆となる。

主制御装置２１の基準値算出部３４は、点火タイミングの指令値ＩＧＮ（実際の点火タイミングと実質的に同義）を遅れ演算することにより上記基準値ＩＧＮ_AVEを算出する。この遅れ演算には、上記出現率平均値ＳＥＶ_AVEを算出するときと同一の演算手法が用いられることが好ましく、ここでは直近から上記所定期間Ｔ遡って過去の指令値ＩＧＮの移動平均を演算することによって基準値ＩＧＮ_AVEが算出される。また、出現率平均値ＳＥＶ_AVEが加重移動平均により算出される場合には、基準値ＩＧＮ_AVEの算出に際しても同様の重み付けが考慮される。

主制御装置２１の二次目標値算出部３７は、この一次目標値ＩＧＮ_SET1を、遅角量算出部３６において算出された遅角量ΔＩＧＮ_Mだけ減算することによって、点火タイミングの二次目標値ＩＧＮ_SET2を算出する（ＩＧＮ_SET2＝ＩＧＮ_SET1−ΔＩＧＮ_M，ΔＩＧＮ_M≧０）。

主制御装置２１には、この遅角量ΔＩＧＮ_Mを算出するために所定サイクル数Ｎが経過する間に大ノックが出現したサイクル数Ｎ_Mが記憶され、主制御装置２１の遅角量算出部３６は、このサイクル数Ｎ_Mが所定の閾値Ｍ以上である場合にそのサイクル数Ｎ_Mに応じた遅角量ΔＩＧＮ_Mを算出する。具体的には、遅角量算出部３６は、サイクル数Ｎ_Mに対し、閾値Ｍから１を減じた値を減算し、このようにして得られた値にゲインＫ₂を積算することによって遅角量ΔＩＧＮ_Mを算出する（ΔＩＧＮ_M＝｛Ｎ_M−（Ｍ−１）｝×Ｋ₂）。但し、サイクル数Ｎ_Mが閾値Ｍ未満である場合には、式：Ｎ_M−（Ｍ−１）の値が０として扱われる。従って、サイクル数Ｎ_Mが閾値以上である場合には、サイクル数Ｎ_Mが多くなるほど遅角量ΔＩＧＮ_Mが大きくなり、サイクル数Ｎ_Mが閾値Ｍ未満である場合には遅角量ΔＩＧＮ_Mが０となる。なお、閾値Ｍは、ガスエンジン１の仕様に応じて適宜の値に設定される（例えばＭ＝２）。

主制御装置２１は、この遅角量ΔＩＧＮ_Mを考慮した二次目標値ＩＧＮ_SET2を点火タイミングの最終的な目標値として更新する。また、主制御装置２１は、点火タイミングの指令値ＩＧＮが、現在の指令値（更新直前の二次目標値と実質的に同義）から今回更新された二次目標値ＩＧＮ_SET2へと即座に変更するのを防ぐよう構成されている。

具体的には、主制御装置２１の変化率制限部３８は、今回更新された二次目標値ＩＧＮ_SET2が現在の指令値に比べて大きい値であって、点火タイミングの指令値を進角する必要があるときに、単位期間あたりの点火タイミングの進角量を第１変化率（本書では便宜的に符号ΔＩＧＮ_LIM1を付記する）に制限する。なお、ここでは説明の単純化のため「単位期間」を１サイクルとしているが、単位時間であってもよい。

このとき、二次目標値ＩＧＮ_SET2が更新されてから点火タイミングの指令値がこの二次目標値ＩＧＮ_SET2に達するまでの間には、少なくとも二次目標値ＩＧＮ_SET2を第１変化率ΔＩＧＮ_LIM1で除して得られる整数部分に相当するサイクル数の経過を要し、この除算で剰余がある場合には該サイクル数が経過した後の次のサイクルにおいてこの剰余分だけ点火タイミングが進角されることとなる。言い換えると、更新された二次目標値ＩＧＮ_SET2と更新直前の指令値との差が第１変化率ΔＩＧＮ_LIM1に対して十分に大きいと仮定し、二次目標値ＩＧＮ_SET2の更新後に経過したサイクル数をｎとすれば、当該サイクル数ｎの経過後における点火タイミングの指令値ＩＧＮは、更新直前の指令値（ＩＧＮ′）に対して第１変化率ΔＩＧＮ_LIM1のｎ倍だけ進角した値となる（ＩＧＮ＝ＩＧＮ′＋ΔＩＧＮ_LIM1×ｎ）。主制御装置２１の変化率制限部３８がこのようにして指令値ＩＧＮを決定することにより、点火タイミングが急変することがなく、ガスエンジン１の挙動が不安定になるのを避けることができる。

逆に点火タイミングの指令値を遅角する必要がある場合には、単位期間あたりの点火タイミングの遅角量が第２変化率（本書では便宜的に符号ΔＩＧＮ_LIM2を付記する）に制限される。従って、遅角時においても、点火タイミングの指令値ＩＧＮが二次目標値ＩＧＮ_SET2に達するまでの間に、進角時と同様要領で求まるサイクル数の経過を要する。

この第２変化率ΔＩＧＮ_LIM2の絶対値は、第１変化率ΔＩＧＮ_LIM1の絶対値に比べて大きい値に設定されている（｜ΔＩＧＮ_LIM2｜＞｜ΔＩＧＮ_LIM1｜）。つまり、点火タイミングの指令値ＩＧＮを遅角する場合には、進角する場合と比べ、点火タイミングの指令値ＩＧＮが二次目標値ＩＧＮ_SET2に達するまでに要する期間が短い。このようにノッキングを出現させにくくしたい場合にはこれが比較的速やかに実現され、ノッキングによってガスエンジン１の損傷が生じるおそれを低減することができる。他方、点火タイミングの指令値ＩＧＮを進角してガスエンジン１の出力効率を上昇させるときにはこれが比較的ゆっくりと安定して実現される。この結果、ノッキングの発生を速やかに抑制しつつも効果的なノッキング制御を可能としている。

このように主制御装置２１は、更新された二次目標値ＩＧＮ_SET2と、この更新直前の点火タイミングの指令値と、第１又は第２変化率ΔＩＧＮ_LIM1，ΔＩＧＮ_LIM2とに応じて点火タイミングの指令値ＩＧＮを決定し、この指令値ＩＧＮと位相角検知装置２４からの入力とに基づいて点火プラグドライバ２３に制御信号を出力する。これにより、指令値ＩＧＮに応じた点火タイミングで副燃焼室１０内の混合気が着火される。

主制御装置２１は、いったん二次目標値ＩＧＮ_SET2を更新すると、上記所定サイクル数Ｎが経過するまでの間、この更新された二次目標値ＩＧＮ_SET2に基づいて点火タイミングの指令値ＩＧＮを決定して点火プラグ１４を駆動制御する。そして、この所定サイクル数Ｎが経過すると、上述の手順を踏んで二次目標値ＩＧＮ_SET2が再び更新される。

本ノッキング制御装置２０においては、機能ブロック３１〜３３，３５が示すとおり、出現率平均値ＳＥＶ_AVEと出現率目標値ＳＥＶ_SETとの偏差ΔＳＥＶに基づいて点火タイミングの目標値が算出される。このように、点火タイミングの目標値が過去のノッキング出現率を考慮し、ノッキング出現率の履歴を含むようにして算出されるため、直近のノッキング出現率が過去のノッキング出現率に対して大きく変化しているようなことがあっても、点火タイミングの目標値がこの変化に追従して大きく変化するのを避けることができる。従って、ガスエンジン１の動作が不安定にならずに、ガスエンジン１のノッキング出現率ＳＥＶを出現率目標値ＳＥＶ_SETに近づけることができるようになる。さらには、ノッキング出現率ＳＥＶの制御を点火タイミングの変更によって行っており、燃料供給量を変更する場合と比べ、エンジン出力が大きく変更されることがなく、所望のエンジン出力を保持することができるようになる。

機能ブロック３４が示すとおり、点火タイミングの目標値を変更するための基準値ＩＧＮ_AVEも、指令値ＩＧＮを遅れ演算することによって算出されている。このように、基準値ＩＧＮ_AVEも過去の指令値ＩＧＮを考慮して算出されるため、これに基づき算出される点火タイミングの目標値も大きく変動するようなことがなく、ガスエンジン１の運転がさらに安定して行われる。

機能ブロック３６，３７が示すとおり、ガスエンジン１に対する負担が大きい大ノックが出現したサイクル数Ｎ_Mが所定の閾値Ｍ以上である場合には、そのサイクル数Ｎ_Mに応じて点火タイミングの目標値が遅角される。このため、大ノックが出現してもこれを防止することができ、ガスエンジン１を保護することができる。

機能ブロック３５，３７が示すとおり、この遅角量ΔＩＧＮ_Mは、出現率平均値ＳＥＶ_AVEと出現率目標値ＳＥＶ_SETとの偏差ΔＳＥＶに基づいて算出される一次目標値ＩＧＮ_SET1を変更するための値として用いられており、この一次目標値ＩＧＮ_SET1と遅角量ΔＩＧＮ_Mとを用いた演算により算出される二次目標値ＩＧＮ_SET2が点火タイミングの最終的な目標値となっている。このように大ノックが出現したサイクル数Ｎ_Mに応じて決定される遅角量ΔＩＧＮ_Mは、遅れ演算の処理を介さず、点火タイミングの最終的な目標値を決定するための演算において直接的に用いられるため、点火タイミングの最終的な目標値、及びこれに基づき決定される点火タイミングの指令値がこの遅角量ΔＩＧＮ_Mを大きく反映した値となる。従って、大ノックの出現が許容範囲を超えるような場合には、そのような状況に即座に対応して大ノックの出現を抑えることができる。

以上、本発明に係るガスエンジン１のノッキング制御装置２０の実施形態を説明したが、上述した構成は本発明の範囲を逸脱しない限り適宜変更可能である。

例えば、過去のノッキング出現率を考慮するための遅れ演算の演算手法として移動平均を用いる場合を説明したが、その他にも例えば一次遅れ演算を用いてもよい。このように演算手法が変更された場合には、機能ブロック３４において点火タイミングの基準値を算出するための演算手法も同様のものに変更されることが好ましい。

ノッキング出現率ＳＥＶが、小ノックが出現したサイクル数Ｎ_Lの所定サイクル数Ｎに対する割合（ＳＥＶ＝Ｎ_L／Ｎ）であるとしたが、小ノック及び大ノックが出現したサイクル数の所定サイクル数Ｎに対する割合（ＳＥＶ＝（Ｎ_L＋Ｎ_M）／Ｎ）であるとしてもよい。

混合気を着火する方式として、副燃焼室１０内の混合気を点火プラグ１４により着火する、いわゆる副燃焼室・火花点火方式を採用しているが、その他の方式を採用してもよい。例えば、高圧ガス燃料を噴射するパイロット燃料噴射弁を備え、燃焼室内の圧縮混合気に対してパイロット燃料噴射弁により高圧ガス燃料を噴射することによって混合気を着火する、いわゆるパイロット燃料噴射方式を採用してもよい。

本ガスエンジン１の用途は発電設備の原動機に限られず、その他の設備や装置の原動機としても適用可能である。

本発明は、ガスエンジンの動作をできる限り安定させたまま所望のエンジン出力を保持しつつもノッキング出現率を目標値に近づけることができるという優れた効果を奏し、特に発電設備の原動機として利用されるガスエンジンに好適に適用される。

本発明に係るガスエンジンのノッキング制御装置の構成図である。 図１に示すノッキング検知装置が行う燃焼状態の判定処理の説明図である。 図１に示す主制御装置が行うノッキング出現率制御の説明図である。

符号の説明

１ ガスエンジン
２ 気筒
４ 主燃焼室
１０ 副燃焼室
１４ 点火プラグ
２０ ノッキング制御装置
２１ 主制御装置（制御手段）
２４ 位相角検知装置（位相角検知手段）
２５ ノッキング検知装置（ノッキング検知手段）
３１ ノッキング出現率算出部
３２ 出現率遅れ演算部
３３ 偏差・補正値算出部
３４ 基準値算出部
３５ 一次目標値算出部
３６ 遅角量算出部
３７ 二次目標値算出部
３８ 変化率制限部
ＳＥＶ ノッキング出現率
ＳＥＶ_AVE 出現率平均値（出現率遅れ演算値）
ＳＥＶ_SET 出現率目標値
ΔＳＥＶ 偏差
ＩＧＮ_AVE 基準値
ΔＩＧＮ_SEV 補正値
ＩＧＮ_SET1 一次目標値（目標値）
ＩＧＮ_SET2 二次目標値（目標値）
ＩＧＮ 指令値

Claims (6)

1. ガスエンジンに供給された混合気を点火するための点火手段と、
   前記ガスエンジンの気筒におけるノッキングを検知するノッキング検知手段と、
   前記ガスエンジンの位相角を検出する位相角検知手段と、
   前記点火手段を駆動制御する制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、所定サイクル数経過する間に所定のノッキングが出現したサイクル数の前記所定サイクル数に対する割合であるノッキング出現率を算出し、前記ノッキング出現率を遅れ演算して出現率遅れ演算値を算出し、算出した前記出現率遅れ演算値と予め定めた一定の出現率目標値との偏差を算出し、前記出現率遅れ演算値が前記出現率目標値を上回るときには前記点火手段の点火タイミングの目標値を前記偏差に基づいて遅角させ且つ前記出現率遅れ演算値が前記出現率目標値を下回るときには前記点火手段の点火タイミングの目標値を前記偏差に基づいて進角させ、点火タイミングが該目標値に応じて決まる指令値となるよう前記点火手段を駆動制御する構成としたことを特徴とするガスエンジンのノッキング制御装置。
2. 前記遅れ演算が移動平均であることを特徴とする請求項１に記載のガスエンジンのノッキング制御装置。
3. 点火タイミングを遅角するときにおける単位期間あたりの点火タイミングの遅角量が、点火タイミングを進角するときにおける単位期間あたりの点火タイミングの進角量に比べて大きいことを特徴とする請求項１又は２に記載のガスエンジンのノッキング制御装置。
4. 前記制御手段は、前記点火手段の点火タイミングの指令値を遅れ演算することにより点火タイミングの基準値を算出し、前記出現率遅れ演算値と前記出現率目標値との偏差に基づいて決定した補正値を前記基準値に加算することによって前記点火手段の点火タイミングの目標値を決定する構成としたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のガスエンジンのノッキング制御装置。
5. 前記ノッキング検知手段は、ノッキングをその強度に応じて複数段階に分けて検知し、
   前記制御手段は、前記所定サイクル経過する間に所定強度以上のノッキングが出現したサイクル数が閾値を超えるときに、該出現サイクル数に応じて決定される前記点火手段の点火タイミングの遅角量を算出し、前記出現率遅れ演算値と前記出現率目標値との偏差に基づいて決定した点火タイミングの目標値を前記遅角量だけ遅角させる構成としたことを特徴とする請求項４に記載のガスエンジンのノッキング制御装置。
6. 前記ガスエンジンに混合気が供給される主燃焼室及び副燃焼室が設けられ、
   前記点火手段は、前記副燃焼室に供給された混合気を火花点火する点火プラグを備えていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のガスエンジンのノッキング制御装置。

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