JP6441291B2 - ガス燃料エンジン及びガス燃料エンジンの停止方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガス燃料エンジン及びガス燃料エンジンの停止方法に係り、特に、ガス燃料をシリンダに供給する燃料供給弁に異常が発生した際には安全かつ即座に運転を停止して未燃焼ガスの放出を可及的に減少させることができるガス燃料エンジン及びガス燃料エンジンの停止方法に関するものである。

下記特許文献１には、ガス燃料エンジンにおける燃料供給弁の異常検知装置の発明が開示されている。この異常検知装置は、燃料供給弁２６に設置した振動センサ５１と、燃料供給弁の開閉タイミングを表示する信号を供給するサイクル位相供給装置とを有している他、さらに、振動センサ５１から供給される振動測定信号と燃料供給弁の開閉タイミング表示信号を入力し、燃料供給弁２６の開閉に伴う振動に基づいて燃料供給弁の異常を判定し、異常信号を出力する異常発信装置５０を備えている。この異常検知装置によれば、開閉時の振動強度に基づいて燃料供給弁の異常、特に燃料供給弁において運転中に発生する閉弁時のガス漏洩を検出できるものとされている。

特開２０１２−１３２４２０号公報

ガス燃料を供給するための燃料供給弁として電磁弁を備えたガス燃料エンジンにおいては、吸入、圧縮、燃焼、排気の４行程（４ストローク）からなるサイクルの１回分（１サイクル）の期間中、その約１０％の時間において電磁弁が開いて燃料ガスが供給されている状態にある。これに対して、電磁弁の弁座での異物の噛み込みや弁自体の破損等に起因して、電磁弁が必要なタイミングで閉じずに開いたままとなり、１サイクルの間、継続して燃料ガスが供給されると、通常の約１０倍の燃料ガスが燃焼室に供給されることになる。この場合、次のサイクルにおける燃焼行程では空気に対して燃料が過多となるため、着火源があっても燃焼室内では燃焼せず、失火が発生してしまう。また、この未燃の燃料ガスが煙道に流れ、他のシリンダの高温の排気ガスにより希釈されるとともに、暖められて自然着火温度に達し、煙道内で爆発を起こす可能性がある。このため、ガス燃料を供給する電磁弁が故障し、弁が全開又は破損となった場合には、即座にガス燃料エンジンを停止する必要がある。

上記特許文献１に開示されたガス燃料エンジンにおける燃料供給弁の異常検知装置の発明によれば、燃料供給弁の開閉に伴う振動を振動センサで検出して異常を判定するものであったため、燃料供給弁の振動の検出精度によっては、燃料供給弁の故障を必ずしも正確に検出することが出来ず、燃料供給弁の故障の誤検出により、必要がない場合にガス燃料エンジンを無駄に停止させてしまうという懸念があった。

本発明は、上述した従来の問題点を解決することを目的としており、ガス燃料をシリンダに供給する燃料供給弁に異常が発生した際には安全かつ即座に運転を停止して未燃焼ガスの放出を可及的に減少させることができるガス燃料エンジン及びガス燃料エンジンの停止方法を提供することを目的としている。

請求項１に記載されたガス燃料エンジンは、
ガス燃料により運転されるレシプロ式のガス燃料エンジンであって、
シリンダ内の混合気に点火する点火装置と、
前記シリンダにガス燃料を供給する燃料供給弁と、
前記燃料供給弁の閉弁動作の異常を検出する閉弁監視装置と、
前記ガス燃料エンジンのシリンダでの失火を検出する失火検出装置と、
前記閉弁監視装置が閉弁動作の異常を検出し、かつ、閉弁動作の異常から、ガス燃料エンジンの吸入、圧縮、燃焼、排気の４行程からなるサイクルの２サイクルに相当する期間以内である所定期間内に前記失火検出装置が失火を検出した場合、前記ガス燃料エンジンの停止処理を行う制御装置とを備えている。

前記閉弁監視装置としては、例えば、各シリンダの燃料供給弁に隣接して又は直接的に設けられた加速度センサを用いた装置が使用可能である。加速度センサによって、燃料供給弁が開く際の振動と、閉じる際の振動を、それぞれ信号として検出することができ、閉弁が行われる所定のタイミングで信号が検出されないか、あるいは信号の大きさが正常な範囲より小さい場合に、閉弁動作に異常があると判断する。

前記失火検出装置としては、例えば、各シリンダの燃焼室に設けられた圧力センサを用いる装置が使用可能である。圧力センサによって測定される、各シリンダの燃焼時の圧力が、正常な範囲より小さい場合に失火と判断する。

ここで、通常のガス燃料エンジンは複数のシリンダを有しているため、各々のシリンダに加速度センサと圧力センサを備えるものとすることが望ましい。そして、複数のシリンダからくる複数の信号を区別し、ある１つのシリンダについての閉弁動作の異常信号と失火検出信号が所定の条件で生じた場合に停止処理を行えば、より正確な処理となる。しかし、信号の取扱いや処理速度に制約がある場合には、より簡易なやり方として、複数のシリンダから来る複数の信号をシリンダによって区別せず、全体として閉弁動作の異常信号と失火検出信号が所定の条件で生じた場合に停止処理を行うこととしても良い。

請求項２に記載されたガス燃料エンジンは、請求項１に記載のガス燃料エンジンにおいて、
前記所定期間は、ガス燃料エンジンの吸入、圧縮、燃焼、排気の４行程からなるサイクルの１サイクルに相当する期間以内とされている。

請求項３に記載されたガス燃料エンジンは、請求項１又は２に記載のガス燃料エンジンにおいて、
前記停止処理は、前記燃料供給弁によるガス燃料の供給の停止及び前記点火装置による点火の停止である第１処理と、前記燃料供給弁によるガス燃料の供給の停止のみである第２処理の何れかである。

請求項４に記載されたガス燃料エンジンは、請求項１〜３のいずれか１項に記載のガス燃料エンジンにおいて、
前記停止処理は、失火の検出から０．５サイクル以内の期間に行われる。

請求項５に記載されたガス燃料エンジンの停止方法は、
燃料供給弁からシリンダ内に供給したガス燃料で運転するガス燃料エンジンの停止方法であって、
前記燃料供給弁の閉止動作の異常を検出し、かつ前記燃料供給弁の閉止動作の異常の検出から、ガス燃料エンジンの吸入、圧縮、燃焼、排気の４行程からなるサイクルの２サイクルに相当する期間以内である所定期間内に前記シリンダ内で失火を検出した場合に、前記ガス燃料エンジンの停止処理を行う。

請求項１に記載されたガス燃料エンジン又は請求項６に記載されたガス燃料エンジンの停止方法によれば、次に説明するような作用・効果が得られる。
未燃焼の状態でシリンダから煙道へと流れる燃料ガスを極力減らすため、燃料供給弁の閉弁動作に異常が生じた場合には、できるだけ早く、望ましくは１サイクル以内にガス燃料エンジンの停止処理を行うことが好ましい。そこで各シリンダにおいて１サイクルに１回行われる燃料供給弁の閉弁動作に異常があった場合には、１回の異常信号の検出で直ちに停止処理を行うことが考えられる。しかしながら、「発明が解決しようとする課題」の項でも説明したように、振動センサを用いた閉弁動作の監視は必ずしも完全ではなく、まれに、燃料供給弁の動作に異常が無くても信号に異常が生じる場合（誤検出）が生じる。そのような場合にもガス燃料エンジンの停止処理を行えば、ガス燃料エンジンが動力源として用いられているシステム（例えば発電システム）が全体として停止することとなり影響が大きい。そこで、本発明のように、閉弁動作の異常の検出から所定期間内に失火を検出した場合に限り、１回の閉弁動作の異常信号であっても直ちに停止処理を行うこととした。これにより、誤検出による無駄な停止を防止しつつ、必要な場合には安全かつ即座に運転を停止して未燃焼ガスの放出を可及的に減少させることができる。
燃料供給弁が開いたままの場合であっても、例えば燃料供給弁のシート面に微小な埃等が挟まった場合等のように、その開き方が比較的小さい場合には、当該吸入行程中にガス燃料はやや過剰に供給されるものの、次の圧縮工程後の点火では失火とならない場合がある。この場合、当該シリンダの給気マニホールドには、当該サイクルの圧縮工程、燃焼行程、排気行程の間もガス燃料が供給され続ける。この結果、その次のサイクルにおける吸入行程ではガス燃料がより過剰となるため、圧縮行程後の点火において失火が生じる。この場合、閉弁動作の異常から２サイクルに相当する期間以内に失火が検出される。

請求項２に記載されたガス燃料エンジンによれば、次に説明するような作用・効果が得られる。
燃料供給弁の閉弁動作に異常が生じた場合、例えば燃料供給弁が破損してしまった場合等には、燃料供給弁が比較的大きく開いたままとなるため、ガス燃料が過剰に供給されて混合気の燃料の割合が高い（濃い）状態となる。混合気の燃料の割合が過剰に高くなると点火に適切な範囲を外れてしまい失火が生じる。燃料供給弁は当該シリンダの吸入行程の初期に開閉動作がされるが、燃料供給弁が大きく開いたままの場合、当該吸入行程中にガス燃料が過剰に供給され、次の圧縮行程後の点火において失火が生じる。この場合、閉弁動作の異常から１サイクルに相当する期間以内に失火が検出される。なお、ここで１サイクルとは、吸入、圧縮、燃焼、排気の４行程（４ストローク）からなるサイクルの一回分であり、通常の４ストロークエンジンの場合はクランクが７２０度回転する。

請求項３に記載されたガス燃料エンジンによれば、次に説明するような作用・効果が得られる。
ガス燃料エンジンの停止処理の際は、全てのシリンダに対し、燃料供給弁によるガス燃料の供給を停止する。これにより、可及的速やかにガス燃料エンジンの回転を止めることができ、未燃焼の状態で煙道に流れる燃料ガスを極力減少させることができる。しかしながら、ガス燃料の供給を停止するのみでは、直前のサイクルでシリンダに給気された混合気は点火装置によって点火されるため、もう１サイクル分、エンジンが駆動を続けることとなる。そこで、より速やかにガス燃料エンジンの回転を止めるため、点火装置に対しても停止処理を行い、全ての点火装置に対し、混合気への点火を停止することとしてもよい。

請求項４に記載されたガス燃料エンジンによれば、次に説明するような作用・効果が得られる。
ガス燃料エンジンの停止処理は、技術的に可能な範囲で可及的速やかに行うべきであり、失火の検出から０．５サイクル以内に行なうことにより、閉弁動作の異常の検出から所定期間内に失火を検出した場合に、安全かつ即座に運転を停止して未燃焼ガスの放出を可及的に減少させる効果を確実にすることができる。

本発明の実施形態に係るガス燃料エンジンの機能ブロック構成図である。 本発明の実施形態に係るガス燃料エンジンに設けられた燃料供給弁（ガス供給電磁弁）の断面図である。 本発明の実施形態に係るガス燃料エンジンの運転時に加速度センサで得られた波形及びシリンダ内圧センサで得られた波形等を示す図である。 比較例となる従来のガス燃料エンジンの運転時に出力される燃料供給弁（ガス供給電磁弁）の駆動信号と、特定シリンダ（Ｎｏ．１）のシリンダ内圧力信号の波形と、点火信号の波形等を示す図である。 本発明の実施形態に係るガス燃料エンジンの運転時に出力される燃料供給弁（ガス供給電磁弁）の駆動信号と、点火信号の波形と、加速度センサで得られた特定シリンダ（Ｎｏ．１）の加速度信号を示す波形等を示す図である。

図１から図３を参照して実施形態のガス燃料エンジンの構成を説明する。
図１に実施形態のガス燃料エンジン１０１を示す。このガス燃料エンジン１０１は、吸入、圧縮、燃焼、排気の４行程（ストローク）からなる一サイクルにおいてクランクが７２０度回転する４ストロークのレシプロエンジンであって、そのシリンダ数は複数である。図１では、複数のシリンダのうち、代表として一のシリンダ１０及びその周囲の構造と、機能ブロックで表した制御系の構造とを示している。図１において、当該一のシリンダ１０は軸線を縦にした断面で示され、その他のシリンダは、一のシリンダ１０と同一の姿勢、同一の位置に、紙面に垂直な方向に所定間隔で並んでいるものとする。

図１に示すように、このガス燃料エンジン１０１の構造は通常のレシプロエンジンと同一であり、シリンダ１０の内部に昇降自在に設けられたピストン１１と、シリンダ１０内に連通する吸気孔１２と排気孔１３が形成されたシリンダヘッド１４と、吸気孔１２を開閉する吸気弁１５と、排気孔１３を開閉する排気弁１６と、シリンダヘッド１４に設けられた点火プラグ１１１とを備えている。
その他のエンジンとしての機械的構成については、適宜図示及び説明を省略する。

図１に示すように、吸気孔１２に接続された給気マニホールド１０２には、ガス主管１０５から分岐したガス枝管１０４がガス供給電磁弁１０３を介して接続されている。図１において、ガス主管１０５は円形の断面で示されているが、その中心軸は紙面に垂直な方向に平行であり、ガス枝管１０４は、前述したように紙面に垂直な方向に所定間隔で並んでいるシリンダ１０ごとに所定間隔でガス主管１０５から分岐し、対応する各シリンダ１０の各給気マニホールド１０２にガス供給電磁弁１０３を介して接続されている。

図１に示すように、各シリンダ１０の給気マニホールド１０２には、シリンダ１０にガス燃料を供給する燃料供給弁として、ガス供給電磁弁１０３が取り付けられている。このガス供給電磁弁１０３は、ガス供給電磁弁駆動装置１０９によって駆動される。

図２は、ガス供給電磁弁１０３の概念的な断面図である。このガス供給電磁弁１０３は、わずかなストロークで大きな開口を形成して短時間で大量のガスを流せる電磁弁であり、平板で形成された弁座２１と、弁座２１の平板の平面と接して流路を遮断する平板で形成された弁体２２を有する。このガス供給電磁弁１０３としては、例えば、ソレノイド駆動のフェースタイプのポペット弁などが使用できる。弁体２２の平板と弁座２１の平板には、それぞれ同心円状に貫通溝が形成されており、弁体２２と弁座２１が平面接触するときには、貫通溝同士が互いにずれて当たって通路を遮断して閉弁状態になり、弁体２２と弁座２１が離れるときには僅かに別れただけで複数の貫通溝同士が導通して大きな開口を形成する。開弁時には弁体２２が電磁石２３により弁座２１から離れる方向に引きつけられ、閉弁時には弁体２２はばね２４により弁座２１に押し付けられる。

図１に示すように、シリンダヘッド１４に設けられた点火プラグ１１１には、点火プラグ１１１に電気エネルギーを供給する点火装置１１０が接続されている。

図１に示すように、各ガス供給電磁弁１０３には、ガス供給電磁弁１０３の弁の動作の異常、特に閉弁動作の異常を検出する手段として、加速度センサ１０６が取り付けられている。加速度センサ１０６が出力する加速度信号は、振動解析装置１０７に入力されるように構成されている。振動解析装置１０７は、後述するように、加速度センサ１０６から取得した加速度信号の振幅値が所定のしきい値を下回った場合に、ガス供給電磁弁１０３が何らかの不具合により閉動作しなかったと判断し、故障信号を制御装置１０８に出力する。このように、加速度センサ１０６と振動解析装置１０７は、各ガス供給電磁弁１０３の異常、特に閉弁動作の異常を検出する閉弁監視装置として機能する。

図３を参照して加速度センサ１０６と振動解析装置１０７による閉弁動作の異常検出について詳述する。加速度センサ１０６で計測された波形は、図３中に符合Ａ、Ｂで示すように、ガス供給電磁弁１０３の弁の開時（Ａ）、および閉時（Ｂ）に大きな振動波形を示す。振動解析装置１０７は、これらの振動波形のうち、ガス供給電磁弁１０３の弁の閉時に対応する所定時間幅又は所定クランク角度幅のサンプリング範囲としてのウィンドウＷを設け、そのウィンドウＷ内での振動波形の最大値と最小値の差、もしくは絶対値の最大値をガス供給電磁弁１０３の弁閉時の加速度振幅値として算出する。そして振動解析装置１０７は、この加速度振幅値が予め定めたしきい値よりも低かった場合、すなわち閉弁異常が検出された場合には、ガス供給電磁弁１０３の故障により弁の閉動作が行われ無かった又は不完全であったと判断し、ガス供給電磁弁１０３が異常であることを示す故障信号を後述する制御装置１０８に出力する。

振動解析装置１０７からの故障信号は、各シリンダの１サイクルごとにＯＮ（正常）又はＯＦＦ（異常）の２値信号（接点信号）として出力されるが、複数のシリンダの中の何れのシリンダについての情報であるかの区別は行なわない構成となっている。しかしながら、後述する燃焼解析装置１１３からの失火有無信号のように、シリアル通信プロトコル（ＣＡＮ）等のデジタル通信技術を利用し、シリンダ番号、各番号のシリンダにおける閉弁異常の有無（正常又は異常の識別）を示すデジタル信号を、故障信号として１サイクルごとに制御装置１０８に出力するものとしてもよい。

図１に示すように、各シリンダ１０には、シリンダ１０内の圧力を計測することによりシリンダ１０内の失火を検出する手段として、シリンダ内圧センサ１１２が取り付けられている。シリンダ内圧センサ１１２が出力する圧力信号は、燃焼解析装置１１３に入力されるように構成されている。燃焼解析装置１１３は、シリンダ内圧センサ１１２から取得した圧力信号にて、圧縮行程の圧力と燃焼行程の圧力とを比較することにより、当該シリンダ内の燃焼行程で失火が発生したか否かを検出し、失火有無信号を後述する制御装置１０８に出力する。このように、シリンダ内圧センサ１１２と燃焼解析装置１１３は、各シリンダでの失火を検出する失火検出装置として機能する。

燃焼解析装置１１３からの失火有無信号は、シリアル通信プロトコル（ＣＡＮ）等のデジタル通信技術によるデジタル信号である。すなわち、シリンダ番号、各番号のシリンダにおける燃焼異常の有無（正常又は異常の識別）を示すデジタル信号を、失火有無信号として１サイクルごとに制御装置１０８に出力する。

図１に示すように、ガス燃料エンジン１０１は、機関の停止処理を行なうか否かを判断する制御手段として制御装置１０８を有している。前述の通り、制御装置１０８には、振動解析装置１０７からの故障信号と、燃焼解析装置１１３からの失火有無信号が入力される。

制御装置１０８は、振動解析装置１０７が閉弁動作の異常を検出し、かつ、閉弁動作の異常から所定期間内に燃焼解析装置１１３が失火を検出した場合、ガス燃料エンジン１０１の停止処理を行う。所定期間としては、ガス燃料エンジン１０１の吸入、圧縮、燃焼、排気の４行程からなるサイクルの１サイクルに相当する期間又は２サイクルに相当する期間とする。

ガス燃料エンジン１０１の停止処理としては、ガス供給電磁弁１０３によるガス燃料の供給の停止と、点火装置１１０による点火の停止の双方を行なうこととするが、ガス供給電磁弁１０３によるガス燃料の供給を停止することのみとしてもよい。このような停止処理を行なうため、図１に示すように、制御装置１０８は、ガス供給電磁弁駆動装置１０９と、点火装置１１０に接続されており、必要な場合にこれらを停止処理するための制御信号を出力するように構成されている。なお、停止処理のために制御装置１０８から出力される制御信号は、接点信号でも通信によるデジタル信号でも構わない。また、制御装置１０８からの制御信号による停止処理は、閉弁動作の異常の検出後、１又は２サイクル期間内に失火が検出された場合に、その失火の検出からできるだけ早い期間、例えば０．５サイクル以内の期間に行われるものとする。

図１に示すように、制御装置１０８にはプログラマブルコントローラＰＬＣが接続されている。このプログラマブルコントローラＰＬＣは、ガス主管１０５の上流側の基端部と、ガス燃料の供給元（図示せず）との間に設けられている供給元弁（図示せず）を開閉制御する機能を備えている。制御装置１０８は、前述した停止処理を行なう場合、同時にプログラマブルコントローラＰＬＣに警報及び停止制御の信号を送り、供給元弁を遮断することにより、ガス主管１０５へのガス燃料の供給を元から絶つとともに、ガス燃料エンジン１０１が緊急停止する旨の警報を図示しない警報装置（表示警報装置、音声警報装置等）に発報させる。

図４を参照して従来のガス燃料エンジンでガス供給電磁弁が故障した場合を想定した模擬実験について説明する。
従来のガス燃料エンジンでは、ガス供給電磁弁の故障を考慮せず、失火を複数回検出した場合に機関を停止処理するシステムとなっているため、以下の説明では、ガス供給電磁弁の故障を模擬的に発生させるために、ある時点でガス供給電磁弁の配線をカットして駆動信号を停止させている。
なお、複数回としているが、ガス供給電磁弁の故障を考慮しない場合、１シリンダの失火であれば、未燃ガスが煙道に出ても爆発する危険性は無く、それよりも誤検出防止を考慮したためである。

図４は、本実施形態の比較例となる従来のガス燃料エンジンの運転時に出力されるガス供給電磁弁の番号及び駆動信号と、特定シリンダ（Ｎｏ．１）のシリンダ内圧力信号の波形と、点火信号の波形と、故障判定信号を示す波形図である。なお、この例におけるシリンダ数は６つである。また、図４及びその説明では、ガス供給弁およびシリンダに、着火の順序に従ってＮｏ．１からＮｏ．６までの番号（Ｎｏ．）を付しているが、これは説明の便宜のためであって、物理的なシリンダの配列とは異なっている。

このガス燃料エンジンは、本実施形態のガス燃料エンジン１０１と同様、吸入、圧縮、燃焼、排気の４行程（ストローク）からなる一サイクルにおいてクランクが７２０度回転する４ストロークのレシプロエンジンである。従って、図４の第１段（最上段）に示すように、Ｎｏ．１〜６の各シリンダの各ガス供給電磁弁は、例えば第１サイクルＣ１から第２サイクルＣ２以降、順に繰り返して駆動信号が与えられていく。

図４の第２段には、Ｎｏ．１シリンダのシリンダ内圧力信号が表示されており、図中最も左側に示すように、第１サイクルＣ１以前のサイクルにおけるシリンダ内圧力信号のピークは正常な燃焼を示しているが、第１段から斜め右下向きの矢印で示すように、第２サイクルＣ２から第６サイクルＣ６では、Ｎｏ．１シリンダのガス供給電磁弁の配線をカットすることにより駆動信号を停止しているため、Ｎｏ．１シリンダのシリンダ内圧力信号のピークは正常な燃焼の場合よりも低い異常値を示している。図４中に示すように、これは失火を意味する。

このような従来のガス燃料エンジンによれば、ガス供給電磁弁の故障を考慮しないシステムとなっており、所定回数（この例では５回）の失火が検出された場合に始めて制御手段で故障判定が行なわれ、図４の第４段（最下段）に示すように故障判定信号のステータスが正常（高値）から異常（低値）へと変化する。すなわち、故障した後に全シリンダのガス供給電磁弁が停止するまでに５サイクルを要している。この５サイクルの間、失火しているＮｏ．１シリンダからは未燃のガス燃料が煙道へ漏れた状態となっており、「発明が解決しようとする課題」の項で説明したような問題が生じている。

図５を参照して本実施形態のガス燃料エンジンによる作用・効果を説明する。
図５は、本実施形態のガス供給電磁弁１０３が故障した場合を想定するため、ある時点で特定のガス供給電磁弁１０３の配線をカットして駆動信号を停止させた模擬実験の結果を示している。

図５は、本実施形態に係るガス燃料エンジン１０１の運転時に出力されるガス供給電磁弁１０３の番号及び駆動信号と、点火信号の波形と、加速度センサ１０６で得られた特定シリンダ（Ｎｏ．１）の加速度信号と、シリンダ内圧センサ１１２が検出した特定シリンダ（Ｎｏ．１）のシリンダ内圧信号と、振動解析装置１０７が特定シリンダ（Ｎｏ．１）について有する失火の有無を示す状態信号の波形図である。なお、この例におけるシリンダ数は６つである。また、図５及びその説明では、ガス供給弁およびシリンダに、着火の順序に従ってＮｏ．１からＮｏ．６までの番号（Ｎｏ．）を付しているが、これは説明の便宜のためであって、物理的なシリンダの配列とは異なっている。

本実施形態のガス燃料エンジン１０１は、前述した通り、一サイクルでクランクが７２０度回転する４ストロークのレシプロエンジンである。従って、図５の第１段（最上段）に示すように、Ｎｏ．１〜６の各シリンダ１０の各ガス供給電磁弁１０３は、例えば第１サイクルＣ１から第２サイクルＣ２以降、順に繰り返して駆動信号が与えられていく。

図５の第２段は、各シリンダの点火プラグ１１１に点火装置１１０が与える点火信号を示している。

図５の第３段は、６つのガス供給電磁弁１０３のうち、特にＮｏ．１のガス供給電磁弁１０３に設けられた加速度センサ１０６が出力する加速度信号を示している。図５の第１段と第３段を対比させると分かるように、ガス供給電磁弁１０３が正常な場合には、第１段でＮｏ．１シリンダのガス供給電磁弁１０３に駆動信号が与えられると、その後にＮｏ．１シリンダの加速度センサ１０６が開弁に伴う加速度信号を出力して第１のピークを示し、ごく短い所定時間後に駆動信号の解除による閉弁に伴う加速度信号を出力して第２のピークを示す。この作用は、先に説明した図３において、ガス供給電磁弁１０３の駆動信号（ガス供給電磁弁駆動電流）と、弁開時（Ａ）及び弁閉時（Ｂ）の加速度センサ１０６の加速度波形（加速度センサ波形）の関係と同一である。

図５の第４段は、Ｎｏ．１シリンダのシリンダ内圧力信号を表示しており、図中左側の４つの波形のピークは正常な燃焼を示している。ところが、第４サイクルＣ４において、Ｎｏ．１シリンダのガス供給電磁弁１０３の配線をカットし、駆動信号を停止したため、第３段において、Ｎｏ．１シリンダに対応するガス供給電磁弁１０３の加速度センサ１０６からは、加速度信号が検出されていない（図５中、「加速度信号欠如」参照。）。そして、第３段の加速度信号が検出されていない「加速度信号欠如」の位置から斜め右下向きの矢印で示す先には、第４サイクルＣ４内における燃焼行程で出力されたＮｏ．１シリンダのシリンダ内圧力信号のピーク波形が示されている。このＮｏ．１シリンダのシリンダ内圧力信号のピーク波形は、正常な燃焼の場合と異なり、圧縮行程の圧力波形と燃焼行程の圧力波形が上死点を境に線対象となっている。これは失火を意味する。

図５の第５段（最下段）は、振動解析装置１０７が判定したガス供給電磁弁１０３の正常又は異常のステータスを２値で表すガス供給電磁弁状態信号を示している。図５に示す例では、この信号は、第１サイクルＣ１以前から第３サイクルＣ３までは、正常な燃焼を示すＯＮ状態（高値）を示してきた。ところが、第４サイクルＣ４では、図５の第１段に示すようにガス供給電磁弁１０３が正常に作動しなかったため、同第３段に示すようにＮｏ．１シリンダの開閉に伴う振動が検出されず、その結果として振動解析装置１０７では、ガス供給電磁弁状態信号がＯＦＦ状態（低値）となり、振動解析装置１０７はこのステータスに基づき、故障信号を制御装置１０８に出力した。さらにその後、１サイクル未満の所定期間内に、同第４段に示すようにＮｏ．１シリンダの失火が燃焼解析装置１１３によって検出され、燃焼解析装置１１３は失火有無信号（この場合は有）を制御装置１０８に出力した。制御装置１０８は、故障信号及び故障信号の受け取りから所定時間内に受け取った失火信号により、ガス供給電磁弁１０３に異常が発生したものと判定し、０．５サイクル以内に、ガス供給電磁弁駆動装置１０９と点火装置１１０を停止制御する停止処理を行なう。

これにより、ガス供給電磁弁１０３の開閉動作に異常がないのに異常と判断する誤検出のリスクを最小化して無益な機関停止を可及的に避けつつ、必要な場合には安全かつ即座に機関の運転を停止して未燃焼ガスの放出を可及的に減少させる効果を得ることができる。

図５に示す例では、第４サイクルＣ４においてＮｏ．１シリンダの開閉に伴う振動が検出されず、かつその後、同サイクルの期間内にＮｏ．１シリンダの失火が検出されたため、１サイクルにも満たない短い時間で異常の判断を行い、直ちに機関の運転を停止することができた。従って、第４サイクルＣ４において、制御装置１０８が機関の停止処理を決定した時点では、Ｎｏ．２シリンダからＮｏ．６シリンダまでは既にガス燃料が供給されていたが、Ｎｏ．５シリンダの点火プラグ１１１までは点火信号が与えられて燃焼が行なわれているため、未燃のガス燃料を排気するのはＮｏ．６シリンダのみで済む。

なお、図５を参照して説明した模擬実験では、ガス供給電磁弁１０３の配線をカットして駆動信号を停止し、ガス供給電磁弁１０３が作動しない状態とした。このため、当該ガス供給電磁弁１０３の加速度センサ１０６は振動波形を発生せず、振動解析装置１０７は、これに基づいてガス供給電磁弁１０３の異常を判定した。また、ガス供給電磁弁１０３が開かず、燃料ガスはシリンダに供給されず、燃焼が起きなかったため、燃焼解析装置１１３は、Ｎｏ．１シリンダにおけるシリンダ内圧力信号に基づいて失火を判定した。
これに対し、本実施形態は、ガス供給電磁弁１０３の閉弁動作の異常を検出することを第１の目的としており、そのために図３を参照して説明したような手法で閉弁時のガス供給電磁弁１０３の異常を判断しており、また検出された失火はガス燃料の過多により生じたものである。
しかしながら、ガス供給電磁弁１０３の異常を加速度センサ１０６の振動波形で判断するアルゴリズム（問題解決のための演算手法）は、ガス供給電磁弁１０３の異常の種類に応じて任意に設定・選択することができるし、失火はその原因に係わらずシリンダ内圧力信号で検出することができるので、図５に示した模擬実験の結果は、閉弁動作の異常を検出する本実施形態の作用・効果を確認するために適当であり、本実施形態の効果を示すものと言える。
なお、ガス供給弁１０３が動作せず、燃料ガスが供給されずに燃焼が起きなかった場合でも、誤検出でなければ、即座に機関の運転を停止することはなんら問題はない。

以上説明したように、本実施形態によれば、ガス供給電磁弁１０３の閉弁動作の異常の検出から所定期間内に失火を検出した場合に限り、１回の閉弁動作の異常信号であっても、直ちにガス供給電磁弁駆動装置１０９と点火装置１１１の駆動を中止することで機関の停止処理を行うこととした。これにより、誤検出による無駄な停止を防止しつつ、必要な場合には即座に運転を停止して未燃焼ガスの放出を可及的に減少させることができる。また、機関を停止するためにガス供給電磁弁１０３の駆動を中止するだけでなく、点火プラグ１１１も停止するので、シリンダ１０から排出された未燃のガス燃料が煙道に出ていても、これに着火して爆発が起きる可能性を小さくすることができ、従来よりも安全である。

本実施形態のガス燃料エンジンを動力源とする発電システムの例で上記作用・効果を再度説明する。まず、このような発電システムは、例えば建物の地下等にガス燃料エンジンの本体を配置し、建物内に排気用の煙道を配設して建物外に排気する構成となっている場合がある。このような発電システムは、電力を安定的に供給することが重要な目的であるが、ガス供給電磁弁の動作不良の誤検出のために電力供給を停止していては目的を達成することができない。しかし、本実施形態によれば、このような弁の動作不良の誤検出のために電力供給が停止することを確実に回避しつつ、しかもガス供給電磁弁に不具合が実際に生じた場合には即座に機関の運転を停止できる。しかも、従来の煙道には未燃のガス燃料の爆発を防ぐために高価な逃がし弁が多数設けられていたが、本実施例では運転停止の場合に煙道に流出する未燃焼ガスの量が従来よりも少なくなるので、逃がし弁の数を大幅に少なくすることができ、設備コストの低減を図ることができる。さらに、点火装置が停止するので、建物内に配設された煙道に未燃のガス燃料が流出したとしても爆発する危険性は従来よりも小さく、より安全である。

なお、以上説明した実施形態では、主としてガス供給電磁弁１０３の閉弁動作の異常を検出することを第１の目的としていたが、図５で説明したように、駆動信号の不具合や機械的破損により、ガス供給電磁弁１０３が作動不能となる事象や、ガス供給電磁弁１０３の開弁動作に異常が生じる事象を検出するために、加速度センサ１０６の振動波形を適宜のアルゴリズムで処理・判断することにより、前述した閉弁動作の異常以外のガス供給電磁弁１０３の異常を検出するようにしてもよい。

なお、ガス供給電磁弁１０３の開弁動作の異常の場合には、弁は閉じたままとなり、ガス燃料がシリンダ１０外に排出される可能性は比較的小さいが、本実施形態で想定しているように、ガス供給電磁弁１０３の閉弁動作の異常の場合には、弁は開いたままとなり、ガス燃料がシリンダ１０外に排出される可能性がより大きいため、その異常を検出して停止処理する実益がより大きい。

また、以上説明した実施形態では、ガス燃料エンジン１０１として、４ストローク、６シリンダのレシプロエンジンを例示したが、これは単なる例示であり、１シリンダのエンジンでも本発明の対象となる。また、本発明におけるガス燃料エンジンには、ガス専焼エンジンだけでなく、ガス燃料と液体燃料の両方を使用するデュアルフューエルエンジンも含まれる。

１０…シリンダ
１０１…ガス燃料エンジン
１０３…燃料供給弁としてのガス供給電磁弁
１０６…閉弁監視装置を構成する加速度センサ
１０７…閉弁監視装置を構成する振動解析装置
１０８…制御装置
１１１…点火装置としての点火プラグ
１１２…失火検出装置を構成するシリンダ内圧センサ
１１３…失火検出装置を構成する燃焼解析装置

Claims (5)

1. ガス燃料により運転されるレシプロ式のガス燃料エンジンであって、
   シリンダ内の混合気に点火する点火装置と、
   前記シリンダにガス燃料を供給する燃料供給弁と、
   前記燃料供給弁の閉弁動作の異常を検出する閉弁監視装置と、
   前記ガス燃料エンジンのシリンダでの失火を検出する失火検出装置と、
   前記閉弁監視装置が閉弁動作の異常を検出し、かつ、閉弁動作の異常から、ガス燃料エンジンの吸入、圧縮、燃焼、排気の４行程からなるサイクルの２サイクルに相当する期間以内である所定期間内に前記失火検出装置が失火を検出した場合、前記ガス燃料エンジンの停止処理を行う制御装置と、
   を備えたガス燃料エンジン。
2. 前記所定期間は、ガス燃料エンジンの吸入、圧縮、燃焼、排気の４行程からなるサイクルの１サイクルに相当する期間以内である請求項１に記載のガス燃料エンジン。
3. 前記停止処理は、前記燃料供給弁によるガス燃料の供給の停止及び前記点火装置による点火の停止である第１処理と、前記燃料供給弁によるガス燃料の供給の停止のみである第２処理の何れかである請求項１又は２に記載のガス燃料エンジン。
4. 前記停止処理は、失火の検出から０．５サイクル以内の期間に行われる請求項１〜３のいずれか１項に記載のガス燃料エンジン。
5. 燃料供給弁からシリンダ内に供給したガス燃料で運転するガス燃料エンジンの停止方法であって、
   前記燃料供給弁の閉止動作の異常を検出し、かつ前記燃料供給弁の閉止動作の異常の検出から、ガス燃料エンジンの吸入、圧縮、燃焼、排気の４行程からなるサイクルの２サイクルに相当する期間以内である所定期間内に前記シリンダ内で失火を検出した場合に、前記ガス燃料エンジンの停止処理を行うガス燃料エンジンの停止方法。