JP5738401B2 - ガスエンジンの制御装置 - Google Patents
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Description
特許文献1によると、ガバナコントローラ010は、回転検出器05から入力されるエンジン回転数の検出値と設定回転数とを比較してその回転数偏差に相当する燃料ガス流量を算出し、ガバナアクチュエータ021に出力する。該ガバナアクチュエータ021は、上記流量偏差に相当するだけガス流量調整弁04を変化させる。これによって、前記ガスエンジン01は設定回転数にて運転される。
エンジン停止から前記回転数変移点N1までの間は、起動時における燃料ガス流量の初期制限値として設定されたガバナアクチュエータ出力S1に相当するa点から回転数変移点N1におけるガバナアクチュエータ出力S2に相当するb点までのガバナアクチュエータ出力Sの増加率α1と、該回転数変移点N1からアイドル回転数N2のガバナアクチュエータ出力S3に相当するc点までのガバナアクチュエータ出力Sの増加率α2とが、α2>α1の関係で設定されている。
そして、回転数変移点N1の燃料ガス流量制限値S2、アイドリング回転数N2の燃料ガス流量制限値S3とすることにより、アイドリング回転数N2までの間、燃料ガスの供給量を必要以上に上昇させないようにしている。
このような場合、炭鉱の坑内での採炭作業中に発生するメタンの排出を目的とした坑内換気を行い、坑外に排出したガスを貯溜してガスエンジンの燃料として使用している。
従って、貯溜されたメタンの濃度は常に一定ではなく変動しやすい。
一方、ガスエンジンの燃料として使用する場合、効率よい運転を得るには空気と燃料ガス(CH4)の比率が一定範囲内にあることが条件となる。
そのため、炭鉱等から排出される燃料ガスを使用する場合、濃度を考慮して燃料ガスをエンジンの燃焼室に供給する必要がある。
このような構成により、ガス流量の増加率を第1のマップにより設定するので、制御を迅速に行うことができ、短時間で安定したアイドリング回転が得られる。
このような構成により、前記ガスエンジンの回転数に応じて複数の増加率が規定されるため、ガス流量が回転数の上昇に正しく追従して増加することとなる。このことによってエンジンの燃焼室へは適量の燃料ガスが供給され、失火やノッキングの発生を招くような事態の発生が回避される。
前記アクチュエータの操作量は時間の経過と共に増加していくため、燃焼不十分などの理由によりエンジンの回転数が上昇していかなければ、エンジンの燃焼室の燃料ガス濃度が高くなり、異常燃焼または失火が発生する。本発明は上述の構成により、上記エンジン回転数に対応して上限値を選定することにより、このような異常燃焼または失火を防止することができる。
一方、ガバナアクチュエータの操作量が前記上限値以下では、燃料ガス濃度に応じて、ガバナ出力増加率設定部が燃料ガス流量の増加率を制御するので、短時間で安定したアイドリング回転が得られる。
このような構成により、燃料ガス濃度に対応して前記ガバナアクチュエータの操作量の上限値をマップにより適切に設定するので、制御が迅速に行え、短時間で安定したアイドリング回転が得られる。
また、本発明において好ましくは、前記第2のマップは、前記主室ガスによる運転開始に対応する回転数とアイドリングに対応する回転数との間に前記上限値を有し、該回転数の増加に対応させて前記上限値を増加させる線図が規定されているとよい。
但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
図1において、1はガスエンジン(以後「エンジン」と略称する)、2は該エンジン1のクランク軸、3は燃料ガス供給部6に貯溜された燃料ガスをエンジン1に供給する燃料ガス管路、4は該燃料ガス管路3に設けられ、エンジン1への燃料ガス供給量を調整するガス流量調整弁、7は燃料ガス管路3に設けられ、且つ、ガス流量調整弁4の上流側で、燃料ガス供給部6との間に配設されたガス濃度検知手段であるガス濃度検知部、20はエンジン1の回転数及び出力を制御する電子ガバナ、8はエンジン全体を制御するエンジンコントロールユニットECU(以後「ECU」と略称する)である。また、電子ガバナ20内に配設されている10はガバナコントローラ、21は前記ガス流量調整弁4を駆動するガバナアクチュエータ、5はエンジンの回転数を検出して、検出信号をECU8とガバナコントローラ10に出力する回転数検出器である。
ECU8の中には、ガス濃度検出部であるガス濃度検出器7の検出値及び、エンジン回転数を検出する回転検出器5とに基づいてガバナ出力増加率αを抽出するガバナ出力増加率マップ16と、変移点回転数設定部12において設定したエンジン回転数に対し、実回転数が上昇しない場合に、設定した変移点回転数に対応した燃料ガス上限レベルSLiを抽出して、アクチュエータ操作量演算部15に併設されている判断部18に出力する燃料ガス上限レベルマップ17が配設されている。
そして、燃料ガス上限レベルマップ17から抽出された燃料ガス上限レベルSLiは、アクチュエータ操作量演算部15に配設されている判断部18に出力される。判断部18はアクチュエータ操作量演算部15で演算した操作量が設定された回転数に対応した燃料ガス上限レベルを越えたか否かを判断し、超えた場合には判断部18に配設されている上限レベル設定部181によってアクチュエータ操作量演算部15の出力を制限する。超えない場合には、アクチュエータ操作量演算部15の出力がガバナアクチュエータ21に出力される。
本実施形態では、変移点回転数設定部12によって起動からアイドリング回転数N3までに回転数変移点位置を2箇所(N1、N2)設定した場合を示す。
起動時、ある回転数位置t0までは始動空気による回転数の上昇が行われる。
t0の位置から主室ガス供給が開始(図4a点)される。ガバナアクチュエータ21のa点の出力S1からスタートして、ガバナアクチュエータ出力は時間とともにb点までガバナ出力増加率α1で増加する。時間(t1−t0)後(t0が起点)に回転数変移点N1位置において、ガバナアクチュエータ21の出力がS1+α1×(t1−t0)になり、エンジン回転数がN1に到達すると、ガバナアクチュエータの出力はガバナ出力増加率α2に変化する。
また、時間t1のΔt1後のt2において、ガバナアクチュエータ21の出力がS1+α1×(t1−t0)+α2Δt1となり、エンジン回転数がN2まで上昇する。N2に到達すると、ガバナアクチュエータ21の出力はガバナ出力増加率α3に変化する。
t3後にはガバナアクチュエータ21の出力がS1+α1×(t1−t0)+α2Δt1+α3Δt2となり、エンジン回転数NがN3となりアイドル回転数に到達する。
図5においてガス濃度はβ3>β2>β1の順になっている。
このデータがガバナ出力増加率設定部14に入力され、ガバナ出力増加率変更部13、アクチュエータ操作量演算部15をへて、ガバナアクチュエータ21を操作して、ガス流量調整弁4がガス流量調整を実施する。
その場合、エンジン回転数はNeの回転数を維持した状態で、ガバナアクチュエータの出力は時間経過によって、S1+α1×(t3−t0)(t3時点では)となりエンジン燃焼室に燃料ガスの供給が続けられる。その結果、燃焼室は燃料ガスの過濃化が進む。
その判断部18はECU8内に配設された燃料ガス上限レベルマップ17に基づいて制御する。
図6は燃料ガス上限レベルを決める燃料ガス上限レベルマップ17の概念図を示し、エンジン回転数(回転数変移点)毎に、ガス濃度が高いと燃料ガス上限レベルは低く、ガス濃度が低いと燃料ガス上限レベルは高くなっている。
図6においてガス濃度はγ3>γ2>γ1の順になっている。
尚、燃料ガス上限レベル(破線)は異常燃焼、失火が発生する空燃比に対し、余裕を有した値としてある。
起動時、始動空気による回転上昇N0(Nゼロ)後、エンジン1の主室ガスによる運転が開始(t0)後、ガバナアクチュエータ21の出力はa点からb点までα1で進む。エンジン回転数がNe以上上昇しない場合には、ガバナ燃料ガス上限レベルはS1とSL1の間のSLeまでとなり、それ以上の出力をしないようになっている。
そして、a点からb点までα1で順調にエンジン回転数Nが上昇したが、b点からc点までの間で、エンジン回転数がN2に達せず、Nf以上に上昇しない場合には、ガバナ燃料ガス上限レベルはSL1とSL2の間のSLfまでとなり、それ以上の出力をしないようになっている。
その後ステップS3で燃料ガスのガス濃度(例えばメタン「CH4」)の濃度)を検出してECU8に出力する。ステップS4にてエンジン回転数(rpm)を検出してECU8に出力する。(尚ステップS2、S3の順序は問わない)ステップS5にてガス濃度%とエンジン回転数Nとに基づいてガバナ出力増加率マップ16にてガバナ出力増加率αを抽出して、ガバナ出力増加率設定部14に出力する。ステップS6においてガバナ出力増加率設定部14がガバナ出力増加率αを決定する。ステップS7にて、回転数変移点N1と実回転数とを比較する。回転数変移点N1>実回転数の場合にはYESを選択してステップS8に進む。(実エンジン回転数が回転数変移点設定部12で設定した区間(N0〜N1)に入っている場合)
また、回転数変移点N1<実回転数の場合(実エンジン回転数が回転数変移点設定部12で設定した区間(N0〜N1)→(N1〜N2)に移行している場合)にはNOを選択してステップS14に進み、ステップS14にてガバナ出力増加率をα1→α2に変更してステップS6に戻る。
燃料ガス上限レベルSLi(ここは、S1からSL1の間で線形補間したSLiとなる)>演算された操作量の場合には、燃料ガス上限レベルSLiに達していないと判断し、YESを選択してステップS10に進み、ステップS10においては演算された操作量が選定される。
一方、燃料ガス上限レベルSLi<演算された操作量の場合には、燃料ガス上限レベルSLiに達していると判断し、ステップS11に進む。ステップS11においては、これ以上の燃料ガス供給率を増加させることは失火、異常燃焼等を招くので、上限レベル設定部18が作動して、燃料ガス制限値を選定される。
また、炭鉱ガス等の燃料ガス濃度が変動しやすい燃料ガスを使用した場合においても、回転数変移点設定部12で設定した区間(N0〜N1)、(N1〜N2)、(N2〜N3)毎に燃料ガス供給限界値を設けることで、メタンガス濃度の低下に起因する失火のみならず、無駄な燃料ガス排出が抑制されるので、省エネルギー、環境等に良い効果をもたらす。
3 燃料ガス管路
4 ガス流量調整弁
5 回転検出器
6 燃料ガス供給部
7 ガス濃度検知部
8 ECU(エンジンコントロールユニット)
10 ガバナコントローラ
12 回転数変移点設定部
13 ガバナ出力増加率変更部
14 ガバナ出力増加率設定部
15 アクチュエータ操作量演算部
16 ガバナ出力増加率マップ
17 燃料ガス流量制限マップ
21 ガバナアクチュエータ
Claims (5)
- ガス濃度が変化する燃料ガスを用いるガスエンジンの制御装置であって、
前記ガスエンジンの回転数を検出する回転数検出部と、
前記燃料ガスのガス濃度を検知するガス濃度検知手段と、
前記ガスエンジンに前記燃料ガスを供給する燃料ガス管路に設けられたガス流量調整弁と、
前記ガス流量調整弁を操作するガバナアクチュエータと、
前記ガスエンジンが停止状態からアイドル回転数に至るまでの前記ガスエンジンの起動時において、前記ガス濃度検知手段によって検知された前記燃料ガスのガス濃度および前記回転数検出部において検出された回転数に応じて規定されている前記ガバナアクチュエータの操作量の増加率に基づいて前記ガバナアクチュエータの操作量を演算する操作量演算部を備え、該操作量演算部が演算した操作量に基づいて前記ガバナアクチュエータを動作させるガバナコントローラと、を有するとともに、
前記ガバナコントローラは、
前記ガスエンジンの停止状態において始動空気による回転数の上昇が行われた後の初期回転数から前記アイドル回転数に至るまでの間で少なくとも1つの変位点回転数を設定する変位点回転数設定部と、
前記燃料ガスのガス濃度および前記ガスエンジンの回転数に応じて、前記ガスエンジンの起動時における前記ガバナアクチュエータの操作量の増加率が複数規定された第1のマップと、をさらに備え、
前記第1のマップに規定される複数の前記ガバナアクチュエータの操作量の増加率は、
前記燃料ガスのガス濃度が低いときの前記ガバナアクチュエータの操作量の増加率よりも、該ガス濃度よりもガス濃度が高いときの前記ガバナアクチュエータの操作量の増加率の方が小さく、且つ、
前記初期回転数から前記変位点回転数設定部で設定された変位点回転数に至るまでの前記ガバナアクチュエータの操作量の増加率よりも、前記変位点回転数から前記アイドル回転数に至るまでの前記ガバナアクチュエータの操作量の増加率の方が大きくなっており、
前記ガバナコントローラは、前記ガス濃度検知手段によって検知された前記燃料ガスのガス濃度および前記回転数検出部によって検出された前記ガスエンジンの回転数に対応する前記ガバナアクチュエータの操作量の増加率を前記第1のマップから読み出し、
前記操作量演算部は、前記ガバナコントローラによって読み出された前記ガバナアクチュエータの操作量の増加率に基づいて前記ガバナアクチュエータの操作量を演算することを特徴とするガスエンジンの制御装置。 - 前記ガバナコントローラは、
前記燃料ガスのガス濃度および前記ガスエンジンの回転数に応じて、前記ガバナアクチュエータの操作量の上限値を設定する上限レベル設定部と、
前記操作量演算部で演算した操作量と、前記上限レベル設定部で設定された前記操作量の上限値とを比較し、前記操作量が前記操作量の上限値以上の場合に、前記操作量の上限値に基づいて前記ガバナアクチュエータを操作する判断部とを備えたことを特徴とする請求項1に記載のガスエンジンの制御装置。 - 前記燃料ガスのガス濃度と前記ガスエンジンの回転数とに応じて、前記操作量の上限値が規定された第2のマップを有し、
前記上限レベル設定部は、前記ガス濃度検知手段によって検知されたガス濃度および前記回転数検出部において検出された回転数に対応する上限値を前記第2のマップから読み出して、前記操作量の上限値を設定することを特徴とする請求項2に記載のガスエンジンの制御装置。 - 前記第2のマップには、前記初期回転数から前記アイドリング回転数に至るまでの間に亘って前記上限値が規定されており、前記上限値は、前記回転数の増加に伴って大きくなるように規定されていることを特徴とする請求項3に記載のガスエンジンの制御装置。
- 請求項1乃至4のいずれか1項に記載の制御装置を具えたガスエンジン。
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