JP4823246B2

JP4823246B2 - ガスエンジンの異常診断方法及び装置

Info

Publication number: JP4823246B2
Application number: JP2008031158A
Authority: JP
Inventors: 泰宏佐伯
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2008-02-12
Filing date: 2008-02-12
Publication date: 2011-11-24
Anticipated expiration: 2028-02-12
Also published as: JP2009191664A

Description

本発明は、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異常診断方法及び装置に関し、特に、エンジンを構成する部品の損耗や劣化を早期に検出することを可能としたガスエンジンの異常診断方法及び装置に関する。

一般にガスエンジンにおいては、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主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。また、シリンダヘッドに主燃焼室へ連通する副室を設け、燃料噴射弁から副室の内部に形成された空気流中に軽油等の液体燃料を噴射して該液体燃料を着火燃焼せしめ、この着火火炎を副室噴口から、給気弁の開弁によって主燃焼室内に導入された燃料ガスと空気との混合ガス中に噴出せしめることにより該混合ガスを燃焼せしめる副室パイロット着火式ガスエンジンも提案、実用化されている。

このようなガスエンジンでは、所望のエンジン出力が得られるように、燃焼室に供給される燃料流量、空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が、エンジンを構成する部品の損耗や故障等の不具合が生じると所望のエンジン出力が得られないことがある。ガスエンジンの異常は、複数の異常要因が複雑に絡まりあって発生することが多いため、原因の特定が難しい。そこで、エンジンの失火を検出することにより異常を診断する方法が用いられている。

ガスエンジンの失火検出装置の一例として、特許文献１（特開２００１−０２７１４８号公報）には、特開平８−１０９８５２号の発明が提供されている。この発明においては、ガスエンジンのエンジン回転数を、負荷に見合うように所定時間毎に変更する際の回転数変動幅が設定値以下になったとき、該ガスエンジンの失火発生を判定し、この失火判定によって、増加させるガス通路の流量制御弁の開度を求め、この開度を従来の下限開度に加えて該流量制御弁の下限開度を再設定し、システムの使用が長期に亘っても燃料リッチ側に変化せず、ＮＯｘ濃度が増加しないように構成されている。

特開平８−１０９８５２号公報

特許文献１に記載されるように、エンジンを構成する部品の劣化や損耗、故障等の不具合を、失火の検出により診断する方法が提案されているが、エンジン回転数のみにより検出する方法では、電力系統と並列運転すなわち同期速度での運転を常態とする常用ガスエンジンにおいて異常を検出することは困難であった。また、部品が完全に故障してしまうとガスエンジンの運転計画に支障をきたし損害を被る惧れがあるため、出来るだけ早期に異常を検出することが望まれていた。
従って、本発明は上記従来技術の問題点に鑑み、エンジンを構成する部品の損耗や劣化を早期に検出することを可能としたガスエンジンの異常診断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、燃料ガスと空気とが所要の空燃比にて混合された混合ガスを、複数備えられたシリンダ内の燃焼室に夫々供給し、該混合ガスを着火燃焼せしめるようにしたガスエンジンの異常診断方法において、
エンジンの設定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し、燃料過剰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、給気流量制御弁により給気流量が調整されている状態において、
前記エンジンの出力を連続的に測定した測定出力の振れ幅である測定偏差を検出し、
該測定偏差の値が、予め設定された正常範囲の偏差を示す設定偏差の値以上で、且つ該測定偏差の継続時間が、予め設定された正常範囲の継続時間を示す設定時間より長く検出された場合に、該エンジンを構成する部品に劣化又は損耗の部品異常が発生したものと判定して警報を出力し、
一方、前記複数のシリンダの筒内圧を常時夫々検出し、前記部品異常の発生を判定したときに、各シリンダの筒内圧力が予め設定された適正筒内圧範囲を超えるシリンダを、前記部品異常が発生したシリンダとして特定して該当するシリンダを表示することを特徴とする。

本発明によれば、エンジンの測定出力の偏差と継続時間に基づいて瞬間的に発生する異常を検出し、これに基づいて異常を診断することにより、エンジンを構成する部品が故障する前に損耗や劣化を検出することが可能であり、ガスエンジンの円滑な運転が可能となる。このとき、継続時間を判定項目とすることで、測定におけるノイズを除去することができ、精度の高い異常診断が可能となる。

また、前記部品異常が発生した回数をカウントし、該カウントされた異常発生回数が予め設定された頻度よりも多い場合にのみ、前記警報を出力することが好適である。これにより、ノイズ等の他の要因を排除してさらに高精度に部品異常のみを検出することができる。
さらに、前記複数のシリンダの筒内圧を夫々検出し、予め設定された適正筒内圧範囲を超えるシリンダを、前記異常が発生したシリンダとして特定することを特徴とする。これにより、異常が発生したシリンダを簡単に特定することができ、メンテナンス時に部品交換をする等の対処が容易となる。

また、燃焼室を有するシリンダを複数備えたガスエンジンにて、燃料ガスと空気とが所要の空燃比にて混合された混合ガスを前記燃焼室に供給する燃料噴射装置が前記シリンダ毎に設けられたガスエンジンの異常診断装置において、
エンジンの設定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し、燃料過剰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、給気流量制御弁により給気流量が調整される給気流量調整手段を設け、
前記異常診断装置は、給気流量調整手段による給気流量が調整されている調整下において、前記エンジンの出力が連続的に測定された測定出力が入力されるとともに、
該異常診断装置は、前記測定出力の振れ幅である測定偏差を検出し、該測定偏差と、予め設定された正常範囲の偏差を示す設定偏差とを比較し、前記測定偏差の値が該設定偏差の値以上で、且つ該測定偏差の継続時間が予め設定された正常範囲の継続時間を示す設定時間より長く検出された場合に、該エンジンを構成する部品に劣化又は損耗の部品異常が発生したものと判定する異常状態検出手段と、該異常状態検出手段による異常が検出された場合に所定条件下で警報を出力する警報出力手段と、
前記複数のシリンダの筒内圧を夫々検出する筒内圧センサと、予め設定された適正筒内圧範囲を超えるシリンダを、前記異常が発生したシリンダとして特定する燃焼診断手段と、該燃焼診断手段によって特定された異常が発生したシリンダを燃焼診断結果として表示する診断結果表示部と、を備えたことを特徴とする。

さらに、前記警報出力手段は、前記異常状態検出手段にて異常発生を検出した回数をカウントするカウンタによってカウントされた異常発生回数が予め設定された頻度よりも多い場合にのみ警報を出力することを特徴とする。
さらにまた、前記複数のシリンダの筒内圧を夫々検出する筒内圧センサを設け、予め設定された適正筒内圧範囲を超えるシリンダを、前記異常が発生したシリンダとして特定する燃焼診断手段と、該燃焼診断手段によって特定された異常が発生したシリンダを燃焼診断結果として表示する診断結果表示部と、を備えたことを特徴とする。

以上記載のごとく本発明によれば、エンジンの測定出力の偏差と継続時間に基づいて瞬間的に発生する異常を検出し、これに基づいて異常を診断することにより、エンジンを構成する部品が故障する前に損耗や劣化を検出することが可能であり、ガスエンジンの円滑な運転が可能となる。このとき、継続時間を判定項目とすることで、測定におけるノイズを除去することができ、精度の高い異常診断が可能となる。
さらにまた、筒内圧センサによって各シリンダの筒内圧を検出することにより、異常が発生したシリンダを特定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は本実施例に係る異常診断処理を示すブロック図、図２は本実施例に係る異常診断装置及びその周辺機器の構成図、図３は本実施例に係る燃料制御及び監視・警報を説明する図、図４は測定出力の偏差を表すグラフ、図５は本発明の実施例が適用される多気筒ガスエンジンの全体構成図である。

最初に、図５を参照して本実施例が適用され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、過給機を備えない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はガスエンジン、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、５０は燃料流量、給気流量等の演算、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が夫々該制御装置５０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５０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、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の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へ導入される。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。

また本実施例では、上記構成に加えて、ガスエンジンを構成する部品の劣化や損耗、故障等の部品異常を早期に検出する異常診断装置を備えている。この異常診断装置は、エンジン出力（又は発電出力）の測定値に基づいて部品異常を診断する装置であり、図１乃至図４を参照して以下に詳細に説明する。

図２に示すように、該異常診断装置１００は、発電機３の発電出力を測定する出力測定手段２５からの測定出力が入力され、該測定出力と、予め設定された設定出力とを比較してガスエンジンの異常状態を検出する異常状態検出手段１０１と、該検出された異常状態から、ガスエンジンを構成する部品の劣化や損耗、故障等に起因する異常のみを抽出し、部品異常を判定する部品異常判定手段１０２と、部品異常と判定された場合に警報を出力する警報出力部１０３と、ガスエンジン１が具備する各シリンダの筒内圧センサ２１にて検出された筒内圧に基づき各シリンダにおいて燃焼診断を行う燃焼診断手段１０４と、部品異常が判定された場合に異常シリンダを特定し、部品異常の発生及び異常が発生したシリンダの異常診断結果を表示する診断結果表示部１０５と、を備える。また、異常状態検出手段１０１には、異常状態が検出された回数をカウントするカウンタ１０６が接続されている。さらに、従来と同様の構成として、測定出力を随時記録する記録手段１１０が設けられている。尚、本実施例では発電出力を異常診断の指標として用いているが、エンジン出力を直接測定してこれを指標として用いてもよい。
上記した異常診断装置１００は、図５に示した燃料流量、給気流量の制御を行う制御装置５０内に具備される構成としてもよいし、該制御装置５０とは別に設置する構成としてもよい。

ガスエンジン１は、前記制御装置５０に、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、例えば図４のグラフに示されるように、所望の発電出力に応じて増減するようになっている。
そして図３及び図５に示すように、制御装置５０により発電機３にて測定した測定出力と前記設定出力との偏差に基づいて、前記設定出力が得られるように燃料流量制御弁１３により燃料流量を調整している。
尚、給気制御は、前記設定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し、燃料過剰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、給気流量制御弁９により給気流量が調整されている。

ここで、実際に測定されたエンジン出力は、図４のＡに示すように偏差が発生することがある。この偏差は、発電機３の出力を測定する出力測定手段２５の誤差、測定におけるノイズ、或いはガスエンジン１を構成する部品の異常等に起因するものである。
本実施例では、発電機３から連続的に測定された測定出力からこの偏差を検出し、該偏差に基づいて異常を診断することにより、エンジンを構成する部品の劣化や損耗等の部品異常のみを抽出し、異常を早期に診断することを可能としている。

図１を参照して、異常診断フローにつき以下に説明する。
まず、発電機３の出力は出力測定手段２５にて連続的に測定され、この測定出力（ＫＷ）は記録手段１１０に記録される。同時に、該測定出力は異常診断装置１００に入力され、異常状態検出手段１０１により、該測定出力から図４のＡに示されるような測定値の振れ幅である偏差（測定偏差）を検出する。一方、前記異常診断装置１００には、正常な偏差の範囲である設定偏差が予め設定されている。正常な偏差の範囲とは、主に出力測定手段２５による測定誤差及び測定におけるノイズの範囲である。この設定偏差の値と前記測定偏差の値とを比較し、該測定偏差が設定偏差内である場合には通常運転を継続する。

測定偏差の値が設定偏差の値以上である場合には（１０１ａ）、検出された偏差の継続時間と、予め設定された設定時間とを異常検出手段１０１により比較する。尚、設定偏差以上の測定偏差が検出された場合に、該測定偏差の継続時間が設定時間未満であれば部品異常に起因しないノイズ等の偏差であることを示している。
測定偏差の継続時間が設定時間未満であれば通常運転を続行し、該測定偏差の継続時間が設定時間以上である場合には（１０１ｂ）異常状態とみなし、この発生回数をカウンタ１０６にてカウントする。そして、異常状態の発生回数が予め設定された設定回数より多い場合には（１０２ａ）、部品異常判定手段１０２にて部品異常が発生したものと判定し、警報出力部１０３により警報を発生する（１０３ａ）。
前記部品異常判定手段１０２では、異常発生回数の頻度に基づき部品異常を特定する構成となっているが、例えば所定時間内の異常発生回数が設定回数以上である場合に部品異常と特定してもよいし、単位時間当たりの異常発生回数が設定回数以上となる回数をカウントし、これが所定回数以上検出された場合に部品異常と特定するようにしてもよい。

一方、ガスエンジン１の各シリンダの筒内圧を、前記筒内圧センサ２１により随時検出し、前記異常状態検出手段１０１にて異常状態が検出された時に、前記筒内圧センサ２１により検出された筒内圧に基づいて燃焼診断手段１０４により燃焼診断を行い、異常状態が出現したシリンダを特定する。該燃焼診断手段１０４では、予め設定された正常な筒内圧範囲を超える場合には、該当するシリンダに異常が発生したものと判断し、異常発生を特定したシリンダを燃焼診断結果（１０４ａ）として診断結果表示部１０５に出力する。
そして、異常が発生したシリンダを交換するなどのメンテナンス情報を画面表示（１０５ａ）することが好ましい。

本実施例のように、エンジンの測定出力の偏差と継続時間に基づいて瞬間的に発生する異常を検出し、これに基づいて異常を診断することにより、エンジンを構成する部品が故障する前に損耗や劣化を検出することが可能であり、ガスエンジンの円滑な運転が可能となる。このとき、継続時間を判定項目とすることで、測定におけるノイズを除去することができ、精度の高い異常診断が可能となる。
さらにまた、筒内圧センサによって各シリンダの筒内圧を検出することにより、異常が発生したシリンダを特定することが可能となる。

本実施例に係るガスエンジンの異常診断方法及び装置は、エンジンを構成する部品の損耗や劣化を早期に検出することが可能であるため、ガスエンジン発電設備を初めとして各種エンジンに幅広く適用できる。

本実施例に係る異常診断処理を示すブロック図である。本実施例に係る異常診断装置及びその周辺機器の構成図である。本実施例に係る燃料制御及び監視・警報を説明する図である。測定出力の偏差を表すグラフである。本発明の実施例が適用される多気筒ガスエンジンの全体構成図である。

符号の説明

１ガスエンジン
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
９給気流量制御弁
１０燃料噴射装置
１３燃料流量制御弁
２１筒内圧センサ
５０制御装置
１００異常診断装置
１０１異常状態検出手段
１０２部品異常判定手段
１０３警報出力部
１０４燃焼診断手段
１０５診断結果表示部
１０６カウンタ
１１０記録手段

Claims

燃料ガスと空気とが所要の空燃比にて混合された混合ガスを、複数備えられたシリンダ内の燃焼室に夫々供給し、該混合ガスを着火燃焼せしめるようにしたガスエンジンの異常診断方法において、
エンジンの設定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し、燃料過剰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、給気流量制御弁により給気流量が調整されている状態において、
前記エンジンの出力を連続的に測定した測定出力の振れ幅である測定偏差を検出し、
該測定偏差の値が、予め設定された正常範囲の偏差を示す設定偏差の値以上で、且つ該測定偏差の継続時間が、予め設定された正常範囲の継続時間を示す設定時間より長く検出された場合に、該エンジンを構成する部品に劣化又は損耗の部品異常が発生したものと判定して警報を出力し、
一方、前記複数のシリンダの筒内圧を常時夫々検出し、前記部品異常の発生を判定したときに、各シリンダの筒内圧力が予め設定された適正筒内圧範囲を超えるシリンダを、前記部品異常が発生したシリンダとして特定して該当するシリンダを表示することを特徴とするガスエンジンの異常診断方法。
前記部品異常が発生した回数をカウントし、該カウントされた異常発生回数が予め設定された頻度よりも多い場合にのみ、前記警報を出力するようにしたことを特徴とする請求項１記載のガスエンジンの異常診断方法。
燃焼室を有するシリンダを複数備えたガスエンジンにて、燃料ガスと空気とが所要の空燃比にて混合された混合ガスを前記燃焼室に供給する燃料噴射装置が前記シリンダ毎に設けられたガスエンジンの異常診断装置において、
エンジンの設定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し、燃料過剰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、給気流量制御弁により給気流量が調整される給気流量調整手段を設け、
前記異常診断装置は、給気流量調整手段による給気流量が調整されている調整下において、前記エンジンの出力が連続的に測定された測定出力が入力されるとともに、
該異常診断装置は、前記測定出力の振れ幅である測定偏差を検出し、該測定偏差と、予め設定された正常範囲の偏差を示す設定偏差とを比較し、前記測定偏差の値が該設定偏差の値以上で、且つ該測定偏差の継続時間が予め設定された正常範囲の継続時間を示す設定時間より長く検出された場合に、該エンジンを構成する部品に劣化又は損耗の部品異常が発生したものと判定する異常状態検出手段と、該異常状態検出手段による異常が検出された場合に所定条件下で警報を出力する警報出力手段と、
前記複数のシリンダの筒内圧を夫々検出する筒内圧センサと、予め設定された適正筒内圧範囲を超えるシリンダを、前記異常が発生したシリンダとして特定する燃焼診断手段と、該燃焼診断手段によって特定された異常が発生したシリンダを燃焼診断結果として表示する診断結果表示部と、を備えたことを特徴とするガスエンジンの異常診断装置。
前記警報出力手段は、前記異常状態検出手段にて異常発生を検出した回数をカウントするカウンタによってカウントされた異常発生回数が予め設定された頻度よりも多い場合にのみ警報を出力することを特徴とする請求項３記載のガスエンジンの異常診断装置。