JP6405862B2 - ガスエンジンのガス弁動作制御方法及びガスエンジン - Google Patents

Description

本発明は、ガスエンジンのガス弁動作制御方法及びガスエンジンに係り、特に、天然ガスや都市ガスなどのガス燃料を用いるガスエンジンに好適な、エンジン回転と同期して燃料ガスを燃焼室に供給するためのガス弁を、ガバナにより電気的に開閉するようにしたガスエンジンのガス弁動作制御方法及びガスエンジンの改良に関する。

図１に例示するようなガスエンジンが知られている（特許文献１参照）。図１に示すように、ガスエンジン２は、天然ガスや都市ガスなどのガス燃料を主燃料とするレシプロ型の多気筒４ストロークエンジンであり、発電設備の原動機などとして使用されている。図１では、ガスエンジン２の気筒３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３にはピストン４が往復動（図では上下動）可能に挿入されており、ピストン４は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３内におけるピストン４の上方は燃焼室５とされている。燃焼室５には、吸気弁６を介して吸気ポート７が接続されるとともに、排気弁８を介して排気ポート９が接続されている。吸気ポート７内にはガス燃料を噴射する燃料ガス供給弁（以下、単にガス弁とも称する）１０が設けられている。また、燃焼室５には混合気を燃焼させるための点火プラグ１５が設けられている。

このガスエンジン２によれば、吸気（吸入とも称する）行程において、燃焼室５には吸気ポート７から空気とガス弁１０が噴射するガス燃料とを含む混合気が供給される。圧縮行程において燃焼室５内の混合気が圧縮された後、点火プラグ１５が所定のタイミングで動作して混合気が着火・燃焼される。これによりピストン４が下動する（膨張（爆発とも称する）行程）。そして、排気行程において、燃焼室５内のガスは排気ポート９を介して外部に排出される。

ガスエンジン２は前記吸気（吸入）→圧縮→膨張（爆発）→排気の４行程を１サイクルとして動作し、この１サイクルの間にピストン４が２往復し、クランク軸が２回転する。そして、１サイクルの間におけるピストン４の位置、又は、クランク軸の回転角（クランク角度）がガスエンジン２の位相角として扱われる。

主制御装置２０は、ガス弁１０を駆動するガバナ２１に接続され、このガバナ２１に指令信号を出力してガス弁１０を駆動制御する。また、主制御装置２０は、点火プラグ１５を作動させる点火プラグドライバ２２に接続されている。主制御装置２０は、この点火プラグドライバ２２に指令信号を出力して点火プラグ１５の作動を制御し、これにより混合気の着火タイミングを制御する。なお、ガス弁１０及び点火プラグ１５の作動の制御は、それぞれの気筒３ごとに独立して行われる。

主制御装置２０には、出力や位相角検知装置２３出力の位相角などが入力されるようになっている。又、ガバナ２１は、ガス燃料の噴射圧力が吸気圧よりも所定値以上大きくなるように調整し、これにより電磁弁であるガス弁１０は吸気圧の大小にかかわらず安定した開閉動作が行われる。

このようなガスエンジンにおいて、燃焼室５内の燃料ガス／空気の混合を良くすることは効率向上のために必要なことである。そこで、特許文献２では、ピストン頂部や吸気ポートの形状を工夫して、燃焼室５内でスワール（旋回流）やタンブル（縦渦）が強く形成されるようにすることで、撹拌を向上させている。しかし、形状が複雑になるのが難点である。

一方で、ガスエンジンにおいて、電磁コイルによりガス弁を電気的に開閉するガバナの利用が一般的になっている。

このガバナを用いて行う燃料ガス供給タイミングの一例を図２に示す。２５％から１００％の様々な負荷においても、上死点（ＴＤＣ）後の同じタイミングでガス弁１０が開き、負荷に応じて、負荷が高くなるほど遅く閉じていく、というものである。

特開２０１０−０８４７３９号公報 特開２０００−１１０６９７号公報

しかしながら、図２に示すようなガス弁の動作制御では、各負荷によって燃焼室５に送られる燃料ガスと空気の混ざり方、特に、点火プラグ１５周りに違いが生じる。図３に例示する如く、例えば図３（Ａ）に示す２５％負荷の場合、ガス弁１０を閉じるタイミングが、図３（Ｂ）に示す１００％負荷の場合よりも早くなり、混合気Ｍが、そのまま燃焼室５下部に滞留してしまう。５０％負荷、７５％負荷、１００％負荷の場合でも、図３（Ｂ）に１００％負荷の場合を例示する如く、混合気Ｍがピストン４側に押し付けられる形で燃焼室５の下部に滞留する。すると、混合気Ｍが点火プラグ１５から離れてしまい、点火プラグ１５周りの空気過剰率λが不安定となってしまい、燃焼室５内の混合気Ｍに確実に着火・燃焼できなくなってしまう。

本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、負荷にかかわらず、燃焼室内に吹き込まれた混合気が燃焼室上部に存在するようにして、点火プラグ周りの混合気を安定させ、燃焼室内の混合気を確実に着火・燃焼させると共に、低負荷時でもピストン側に燃料ガス／空気の混合気を到達させると共に、点火プラグ周りにも混合気を滞留させて、燃焼室内の混合気を確実に着火・燃焼させることを課題とする。

本発明は、エンジン回転と同期して燃料ガスを燃焼室に供給するためのガス弁を、ガバナにより電気的に開閉するようにしたガスエンジンのガス弁動作制御方法において、燃料ガスを複数回に分けて燃焼室に供給する複数段ガバニングを行った場合、吸気行程が終了し次の吸気工程が終了するまでの間のガス弁が最後に閉じるタイミングを、負荷にかかわらず同じタイミングに決定し、前記吸気工程が終了し次の吸気工程が終了するまでの間のガス弁が最初に開くタイミングを、負荷にかかわらず同じタイミングに決定することにより、前記課題を解決したものである。

本発明は、又、エンジン回転と同期して燃料ガスを燃焼室に供給するためのガス弁を、ガバナにより電気的に開閉するようにしたガスエンジンにおいて、燃料ガスを複数回に分けて燃焼室に供給する複数段ガバニングを行った場合、吸気工程が終了し次の吸気工程が終了するまでの間のガス弁が最後に閉じるタイミングを、負荷にかかわらず同じタイミングに決定する手段と、前記吸気行程が終了し次の吸気工程が終了するまでの間のガス弁が最初に開くタイミングを、負荷にかかわらず同じタイミングに決定する手段を備えたことを特徴とするガスエンジンにより、同様に、前記課題を解決したものである。

本発明によれば、ガス弁動作制御に際して、ガス弁が最後に閉じるタイミングを、負荷にかかわらず同じタイミングに決定したので、吹き込まれた混合気が燃焼室上部に存在するようにして、点火プラグ周りの混合気を安定させ、燃焼室内の混合気を確実に着火・燃焼させることが可能となる。

更に、複数段ガバニングを行った場合、吸気行程が終了し次の吸気工程が終了するまでの間のガス弁が最初に開くタイミングを、負荷にかかわらず同じタイミングに決定したので、低負荷時でもピストン側に燃料ガス／空気の混合気を到達させると共に、点火プラグ周りにも混合気を滞留させて、燃焼室内の混合気を確実に着火・燃焼させることが可能となる。

ガスエンジンの一例の構成を示す、一部ブロック線図を含む断面図 従来のガス弁の動作の一例を示すタイムチャート 従来の問題点を説明するための、（Ａ）２５％負荷時、及び、（Ｂ）１００％負荷時の混合気の存在位置を示す略示断面図 参考形態におけるガス弁の動作を示すタイムチャート 同じく（Ａ）２５％負荷時、及び、（Ｂ）１００％負荷時の混合気の存在位置を示す略示断面図 本発明の実施形態におけるガス弁の動作を示すタイムチャート 同じく（Ａ）２５％負荷時、及び、（Ｂ）１００％負荷時の混合気の存在位置を示す略示断面図

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態及び実施例に記載した内容により限定されるものではない。又、以下に記載した実施形態及び実施例における構成要件には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。更に、以下に記載した実施形態及び実施例で開示した構成要素は適宜組み合わせてもよいし、適宜選択して用いてもよい。

参考形態は、図１に示したようなガスエンジン２で、ガス弁１０を１回開閉して燃料ガスを１回で燃焼室５に供給する１段ガバニングに際して、図４にガス弁１０の開閉タイミングの一例を示す如く、例えばＴＤＣ後の負荷に応じて変化するタイミングでガス弁１０を開き、負荷が例えば２５％から１００％と変化しても、同じタイミングでガス弁１０が閉じるようにしたものである。

これにより、吹き込まれた混合気Ｍが存在する位置は、図５（Ａ）（２５％負荷時）及び図５（Ｂ）（１００％負荷時）に例示する如く、いずれの負荷においても燃焼室５上部となり、点火プラグ１５周りの混合気Ｍを安定させて、燃焼室５内の混合気Ｍを確実に着火・燃焼させることができる。

なお、上記のガス弁１０を閉じるタイミングは、エンジン負荷に対して最適なタイミングを選べばよいのであって、ガス弁１０の開閉タイミングを閉じるタイミングを最優先に決定することが重要である。

本参考形態においては、１段ガバニングであるので、制御が簡略である。

次に、同じく図１に示したようなガスエンジン２で、ガス弁１０を２回開閉して燃料ガスを２回に分けて燃焼室５に供給する２段ガバニングに適用した本発明の実施形態を説明する。

この実施形態においては、図６にガス弁１０の開閉タイミングを示す如く、例えばＴＤＣ後の同じタイミングでガス弁１０を開き、且つ、同じタイミングでガス弁１０を閉じるようにしたものである。本実施形態においては、１回目の開閉と２回目の開閉の間に、ガス弁１０を一旦閉じる休止期間が存在し（１００％負荷の場合は無いこともある）、この休止期間の長さが負荷に応じて変化する。

このように閉じるタイミングを最優先に決定し、開くタイミングを次に優先することで、図７（Ｂ）に例示する１００％負荷時の場合だけでなく、低負荷時でも図７（Ａ）に２５％負荷時の場合を例示する如く、ピストン４側に燃料ガス／空気の混合気Ｍを到達させつつ、点火プラグ１５周りにも混合気Ｍを滞留させて、燃焼室５内の混合気Ｍを確実に着火・燃焼させることができる。

なお、本発明が適用される対象は２段ガバニングに限定されず、３段以上のガバニングに際しても同様に適用できる。

又、複数段ガバニングを行うための構成は図１に示したようにガス弁１０が１系統であるものに限定されず、ガス弁を複数系統設けて、それぞれを時間間隔を空けて開閉してもよい。

なお、前記実施形態において、本発明が、混合気を着火する方式として、燃焼室５内の混合気Ｍを点火プラグ１５により点火する火花点火方式のガスエンジンに適用されていたが、本発明の適用対象はこれに限定されず、副室内にも燃料ガスを供給して、副室内の混合気Ｍを点火プラグ１５により点火する、いわゆる副室・火花点火方式の、ガスエンジンや副室に軽油を噴射してディーゼルエンジンのように着火させ、副室で発生する火炎を燃焼室５に噴出させて、燃焼室５内の混合気Ｍを燃焼させるようにした、所謂パイロット着火方式のガスエンジンにも同様に適用できる。

２…ガスエンジン
３…気筒
４…ピストン
５…燃焼室
６…吸気弁
７…吸気ポート
８…排気弁
９…排気ポート
１０…（燃料）ガス（供給）弁
１５…点火プラグ
２０…主制御装置
２１…ガバナ
２２…点火プラグドライバ
Ｍ…混合気

Claims (2)

1. エンジン回転と同期して燃料ガスを燃焼室に供給するためのガス弁を、ガバナにより電気的に開閉するようにしたガスエンジンのガス弁動作制御方法において、
   燃料ガスを複数回に分けて燃焼室に供給する複数段ガバニングを行った場合、吸気工程が終了し次の吸気工程が終了するまでの間のガス弁が最後に閉じるタイミングを、負荷にかかわらず同じタイミングに決定し、
   前記吸気工程が終了し次の吸気工程が終了するまでの間のガス弁が最初に開くタイミングを、負荷にかかわらず同じタイミングに決定すること
   を特徴とするガスエンジンのガス弁動作制御方法。
2. エンジン回転と同期して燃料ガスを燃焼室に供給するためのガス弁を、ガバナにより電気的に開閉するようにしたガスエンジンにおいて、
   燃料ガスを複数回に分けて燃焼室に供給する複数段ガバニングを行った場合、吸気工程が終了し次の吸気工程が終了するまでの間のガス弁が最後に閉じるタイミングを、負荷にかかわらず同じタイミングに決定する手段と、
   前記吸気工程が終了し次の吸気工程が終了するまでの間のガス弁が最初に開くタイミングを、負荷にかかわらず同じタイミングに決定する手段を備えたことを特徴とするガスエンジン。

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