JP6482946B2 - ガスエンジン - Google Patents

Description

本発明は、燃料ガスのカロリー変化に対応することができるガスエンジンに関するものである。

一般に、ガスエンジンにおける空燃比の制御は、一定組成の燃料ガスに対応するように設定されているが、実際に供給されている燃料ガスの組成は、一定ではない。

そこで、従来より、Ａ／Ｆバルブとソレノイドバルブとを燃料経路に設け、ソレノイドバルブの平均開度が５０％に収束するように制御することでカロリーが変動するガスを燃料とするガスエンジンにおいてストイキ燃焼を行う構成が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１４−２４０６１６号公報

しかし、上記従来のガスエンジンの場合、ソレノイドバルブの平均開度として最大値と最小値に基づいた中間値の所定回数分の平均値を採用する構成であることから、急激に燃料ガスのカロリーが変化した場合にソレノイドバルブが上限開度または下限開度に達してその状態で固まる結果、最大値と最小値とが更新されずに平均値が固定されて空燃比制御が効かなくなることが懸念される場合がある。

本発明は、係る実情に鑑みてなされたものであって、燃料ガスの急激なカロリー変化のために燃料供給手段が上限開度または下限開度に達してその状態で固まる場合にも空燃比制御を行うことができるガスエンジンを提供することを目的としている。

上記課題を解決するための本発明に係るガスエンジンは、燃料経路に第一バルブと前記第一バルブよりも制御周期の長い第二バルブを設け、排気ガス経路に排気ガス浄化触媒を設け、前記排気ガス浄化触媒の入口側に空燃比検知センサを設け、前記第一バルブおよび前記第二バルブに対する駆動信号を発信する制御手段を設け、前記制御手段は、前記第二バルブに対して所定開度に設定する駆動信号および前記第一バルブに対して前記空燃比検知センサの検知信号に基づき燃料リッチ側または燃料リーン側へ駆動信号を発信し、燃料リッチ側から燃料リーン側に切り換える時の開度を極大開度として燃料リーン側から燃料リッチ側に切り換える時の開度を極小開度として認識して所定回数分の前記極大開度と前記極小開度に基づいて平均開度を算出し、前記平均開度がエンジン回転数および出力から予め定められている目標開度と対比して小さい場合は前記第二バルブに対して所定割合の閉じる駆動信号を発信して前記平均開度と前記目標開度とが一致するように制御するとともに、前記平均開度が前記目標開度以上の場合は所定割合の開く駆動信号を発信して前記平均開度と前記目標開度とが一致するように制御する構成のガスエンジンにおいて、前記制御手段が前記第一バルブの現在開度を検知し、当該現在開度が所定回数連続して前記第一バルブの上限開度または下限開度であると判定した場合に前記平均開度を前記上限開度または前記下限開度に置換して前記平均開度ではなく、前記上限開度または前記下限開度と前記目標開度とが一致するように制御するものである。

上記ガスエンジンにおいて、制御手段は、平均開度を上限開度または下限開度に置換しない場合の、当該平均開度が、幅を持たせた目標開度に収束するように第二バルブの開度を調整するものであってもよい。

上記ガスエンジンにおいて、第一バルブおよび第二バルブは、各シリンダヘッド毎または複数のシリンダヘッダ毎に設けられたものであってもよい。

上記ガスエンジンにおいて、第一バルブおよび／または第二バルブが複数設けられたものであってもよい。

上記ガスエンジンにおいて、制御手段は、ガスエンジンの排気経路の触媒上流側に設けられた酸素センサまたは全領域センサによって測定された空燃比を基に第一バルブの開度および第二バルブの開度が設定されたものであってもよい。

本発明によると、燃料ガスの急激なカロリー変化のために燃料供給手段が上限開度または下限開度に達してその状態で固まる場合にも空燃比制御を行うことが可能となる。

本発明に係るガスエンジンの全体構成の概略図である。 図１に示すガスエンジンにおける燃料ガスと吸入空気との混合部の構成を示 すブロック図である。 パータベーション制御における空気過剰率、ソレノイドバルブ開度、センサ 出力の各経時的変化を示すグラフである。 平均開度の算出方法を説明するグラフであって、ソレノイドバルブによるパ ータベーション制御時におけるソレノイドバルブ開度の経時的変化を詳細に示すグラフである。 燃料ガスのカロリーの変化によって変動するソレノイドバルブおよびＡ／Ｆ バルブの燃料ガス流量と吸入空気流量との関係を示すグラフである。 燃料ガスのカロリー変化を考慮した際の制御部による制御を説明するフロー 図である。 本発明の他の実施の形態に係るガスエンジンの燃料ガスのカロリー変化を考 慮した際の制御部による制御を説明するフロー図である。 （ａ）は吸気部の他の構成を示す概略図、同図（ｂ）はさらに他の構成を 示す概略図である。 混合部の他の構成を示す概略図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は本発明に係るガスエンジン１の全体構成の概略を示し、図２は同ガスエンジン１における燃料ガスと吸入空気との混合部２ａを示し、図３は同ガスエンジン１の制御部１０によるパータベーション制御の状態を示し、図４は平均開度ｂｎの算出方法を説明するグラフを示し、図５はソレノイドバルブ２１およびＡ／Ｆバルブ２２のバルブ特性を説明するグラフを示し、図６は燃料ガスのカロリー変化を考慮した制御部１０による制御フローを示している。

このガスエンジン１は、ソレノイドバルブ２１とＡ／Ｆバルブ２２とを具備し、これらソレノイドバルブ２１とＡ／Ｆバルブ２２によるパータベーション制御を行う制御部１０を備えており、当該制御部１０は、ソレノイドバルブ２１の所定回数分の極大開度ｂｌと極小開度ｂｓとから算出される平均開度ｂｎが、当該条件で制御部１０に設定されているソレノイドバルブ２１の目標開度ａから外れている場合に、平均開度ｂｎが目標開度ａとなるようにＡ／Ｆバルブ２２の開度を調整するようになされており、ソレノイドバルブ２１の極大開度ｂｌまたは極小開度ｂｓが所定回数連続して上限開度ｂｍａｘまたは下限開度ｂｍｉｎであると判定した場合に、平均開度ｂｎを前記上限開度ｂｍａｘまたは下限開度ｂｍｉｎに置換して目標開度ａと対比するようになされている。

まず、ガスエンジン１の全体構成について説明する。

ガスエンジン１は、シリンダヘッド１１に接続された吸気経路１２に、空気と燃料ガスとを混合する混合部２ａが設けられており、この混合部２ａとシリンダヘッド１１との間にスロットルバルブ２ｂが設けられている。これら混合部２ａおよびスロットルバルブ２ｂによって吸気部２が構成されており、この吸気部２は、制御部１０からの信号によって制御される。

混合部２ａは、図２に示すように、ソレノイドバルブ２１とＡ／Ｆバルブ２２とメインジェット２３とアジャストスクリュ２４とが、レギュレータ２５とミキサー２６との間に並列に接続されている。

ソレノイドバルブ２１は、理論空燃比となる空気過剰率（λ＝１）のストイキ運転を制御するために、燃料ガスが通過する開口面積を調整できるように設計された流量特性の弁によって構成されている。このソレノイドバルブ２１は、板バネまたはスプリングなどの付勢力によって流路を閉じるように付勢された可動弁を、電磁コイルで可動させて所定の開度に開くように構成されている。このソレノイドバルブ２１は、例えば、２５ヘルツの速さで開閉を行い、その開閉の際のデューティ比を変更することで開度が調整できるようになされている。なお、ソレノイドバルブ２１は、２５ヘルツのものに限定されるものではなく、この種のパータベーション制御で使用される各種周波数のソレノイドバルブ２１であってもよい。この構成により、ソレノイドバルブ２１は、流量調整幅Ｖ₁は小さいが、素早い流量調整が可能となされている。また、ソレノイドバルブ２１を構成する流量特性の弁は、比例制御弁によって構成されるものであってもよい。

Ａ／Ｆバルブ２２は、理論空燃比となる空気過剰率（λ＝１）のストイキ運転から、リーン燃焼となる空気過剰率（λ＝１．４〜１．６）のリーン運転までの範囲を制御するために、燃料ガスの通過経路の開口面積を調整できるように設計された流量特性の比例制御弁によって構成されている。このＡ／Ｆバルブ２２は、ステッピングモータの回転によって可動弁の開度を一段階毎に調整できるように構成されている。この構成によりＡ／Ｆバルブ２２は、素早い流量調整はできないが、幅広い空気過剰率の範囲に対応できるように流量調整幅Ｖ₂が大きく構成されている。

メインジェット２３は、ソレノイドバルブ２１およびＡ／Ｆバルブ２２とともに、レギュレータ２５からミキサー２６へ流れる燃料の量を調整するように構成されたバルブで、上記したソレノイドバルブ２１やＡ／Ｆバルブ２２とは異なり、開度は、使用するメインジェット２３の番号で固定されている。

アジャストスクリュ２４は、手動で燃料ガスの量を調整するように構成されたバルブで、通常は、上記メインジェット２３とともに固定されている。

レギュレータ２５は、常に一定の圧力で燃料ガスを供給できるように、燃料ガスの圧力を制御するようになされている。

ミキサー２６は、空気と燃料ガスとを混合するベンチュリ管によって構成されている。このミキサー２６は、下流側に設けられたスロットルバルブ２ｂの開度に応じて吸入される空気のベンチュリ効果で燃料ガスと空気とを混合するようになされている。

シリンダヘッド１１に接続される排気経路１３には、サイレンサ３ａが設けられており、このサイレンサ３ａとシリンダヘッド１１との間に三元触媒３ｂが設けられている。この三元触媒３ｂの排気ガス入口側には前酸素センサ３１が設けられており、出口側にも別の後酸素センサ３２が設けられている。

混合部２ａは、リーン運転の際には、空気過剰率の範囲（λ＝１．４〜１．６）のリーン運転を行うようになされている。この際、空気過剰率の範囲（λ＝１．４〜１．６）の制御は、三元触媒３ｂの排気ガス入口側に設けられた全領域センサ（図示省略）からの検出結果に基づいて、ソレノイドバルブ２１を閉じた状態でＡ／Ｆバルブ２２を制御部１０によって制御することで行われる。

また、混合部２ａは、ストイキ運転を行う場合には、理論空燃比の空気過剰率（λ＝１）を中心としてリーン側およびリッチ側に空燃比が変動するストイキ運転のパータベーション制御をすることができるようになされている。この際、パータベーション制御は、前酸素センサ３１からの検出結果に基づいて、Ａ／Ｆバルブ２２を開閉領域の中間の開度、例えば５０％の開度に開けた状態で、ソレノイドバルブ２１を開閉領域の中間の開度、例えば５０％となる開度に開け、当該ソレノイドバルブ２１を５０％の開度から所定のピッチで開けたり閉じたりを繰り返し、開度の変動を制御部１０によって制御することで行われる。

ここで、ストイキ運転時において、ソレノイドバルブ２１およびＡ／Ｆバルブ２２を、開閉領域の中間の開度に設定しているのは、小さい開度や大きい開度の領域に比べて中間の開度は、比例制御の精度が高いからである。したがって、小さい開度や大きい開度の領域で補正制御すること等によって、開閉領域の全域にわたって比例制御の精度が同じであるような場合にはこのような中間の開度にこだわる必要はない。ただし、リーン運転を行うガスエンジン１の場合、Ａ／Ｆバルブ２２は、リーン運転時に閉じることを考慮し、ストイキ運転の際には中間の開度よりも大きい開度に設定しておくことが好ましい。以下、説明の便宜上、所定カロリーの燃料ガスを用いてストイキ運転を行う場合においては、ソレノイドバルブ２１を開度５０％、Ａ／Ｆバルブ２２を開度５０％と仮定して説明する。

制御部１０は、所定カロリーの燃料ガスを用いてストイキ運転やリーン運転を行う場合の、ソレノイドバルブ２１およびＡ／Ｆバルブ２２のそれぞれの開度と、前酸素センサ３１、後酸素センサ３２、全領域センサ（図示省略）からの検出結果との関係が入力されており、この入力情報に従ってストイキ運転やリーン運転を制御するように構成されている。

例えば、ストイキ運転を制御する場合、制御部１０は、三元触媒３ｂの入口側に設けられた前酸素センサ３１の測定検出結果が理論空燃比の空気過剰率（λ＝１）となるように、ソレノイドバルブ２１の時間平均開度を５０％に保ちながら、Ａ／Ｆバルブ２２の開度を調整することによって行われる。この際、基準燃料ガスが供給されていれば、Ａ／Ｆバルブ２２の開度も５０％に維持される。

また、理論空燃比の空気過剰率（λ＝１）を中心としてリーン側およびリッチ側に空燃比が変動するストイキ運転のパータベーションの制御は、三元触媒３ｂの入口側に設けられた前酸素センサ３１と、その後段である三元触媒３ｂの出口側に設けられた後酸素センサ３２との測定検出結果に基づいて、ソレノイドバルブ２１の開閉度を制御することによって行われる。このパータベーションの制御は、制御部１０によって以下のようにして行われる。

すなわち、図３に示すように、前酸素センサ３１によって三元触媒３ｂに流入する手前の排気ガスの酸素濃度を測定する。この前酸素センサ３１は、ストイキ運転よりもリッチ側に判定された場合には、ソレノイドバルブ２１を、ストイキ運転の設定よりも過剰にリーン側に閉じる。

すると、排気ガス中の過剰の酸素は、三元触媒３ｂに吸蔵され、三元触媒３ｂに吸蔵された酸素が飽和してくるので、三元触媒３ｂの後段側に設けられた後酸素センサ３２は、ソレノイドバルブ２１の切り替えから所定の応答時間後にリーン側に移行する。

また、三元触媒３ｂよりも前段側の前酸素センサ３１は、ストイキよりもリーン側にソレノイドバルブ２１を閉じたことにより、リーン側に判定されるので、この判定に合わせてソレノイドバルブ２１を、ストイキ運転の設定よりも過剰にリッチ側に開く。

すると、三元触媒３ｂに吸蔵されていた酸素は、排気ガス中に放出されて排気ガスを浄化するが、そのうち三元触媒３ｂに吸蔵されていた酸素が枯渇するので、三元触媒３ｂ後段側に設けられた後酸素センサ３２は、ソレノイドバルブ２１の切り替えから所定の応答時間後にリッチ側に移行する。

以後、約1〜２秒程度の所定のピッチで空燃比を変更（パータベーション）させることで、三元触媒３ｂの後段側の後酸素センサ３２は、理論空燃比の空気過剰率（λ＝１）のリーン側とリッチ側とで空燃比がなだらかに変化する。この際、三元触媒３ｂは、酸素の吸蔵および放出が繰り返されることとなり、触媒の活性化した状態が保たれることとなる。

制御部１０には、この図３に示したような制御マップが入力されており、所定カロリーの燃料ガスを用いてストイキ運転を行う場合、この制御マップに従った制御が行われることとなる。

このうち、ソレノイドバルブ２１によるバルブ開度の制御パラメータとしては、図４に示すように、所定時間で急激にバルブを開くジャンプアップ量Ｊ、その後、所定時間でなだらかにバルブが開くランプアップ速度Ｒ、次にソレノイドバルブ２１を急激に閉じるまでの間のディレイタイムＤによって決まる。したがって、制御部１０に入力されているソレノイドバルブ２１の開度については、このようなパータベーション制御時の開度変化の条件も入力されている。また、制御部１０は、ストイキ運転において、前酸素センサ３１が、理論空燃比の空気過剰率（λ＝１）となるときの酸素濃度に対応したソレノイドバルブ２１の開度（ここでは５０％）が、目標開度ａとして認識されており、この目標開度ａを中心に、リーン側およびリッチ側にソレノイドバルブ２１の開度を上記した開度変化条件で変動させることで、リーン側およびリッチ側に変動する空気過剰率の変動幅を制御するようになされている。

また、制御部１０は、所定のエンジン回転数や負荷でソレノイドバルブ２１によるパータベーションを行っている実際の運転状況において、当該運転状況が安定しているとみなされるある一定時間内に、当該ソレノイドバルブ２１の開度の履歴から、実際の運転状況における平均開度ｂｎを算出するようになされている。この平均開度ｂｎの算出は、図４に示すように、パータベーション制御の各バルブ開度のうち、リーン側からリッチ側に切り替わる時の極小開度ｂｓと、リッチ側からリーン側に切り替わる時の極大開度ｂｌとを３サイクル分測定して算出される。図４では、３サイクル分の開度を平均して算出しているが、特に３サイクル分に限定されるものではなく、１サイクル分または２サイクル分の開度を平均したものであってもよいし、３サイクル以上の開度を平均して平均開度ｂｎを算出したものであってもよい。実際の運転状況から開度の履歴を１サイクル分だけさかのぼって平均開度ｂｎを算出した場合、実際の運転状況に近く、かつ、データ処理を早く行うことができるが、データの安定性が懸念される。実際の運転状況から開度の履歴を３サイクル以上さかのぼって平均開度ｂｎを算出した場合、安定したデータが得られるが、処理するデータ数が多くなってデータ処理が遅くなってしまう。したがって、実際の運転状況から開度の履歴をどれだけさかのぼって平均開度ｂｎを算出するかについては、使用するガスエンジン１や、その使用環境に応じて適宜決定される。

制御部１０は、このようにして算出された実際の運転状況における平均開度ｂｎと、制御部１０に入力された同条件における本来の目標開度ａとを比較するようになされている。そして、平均開度ｂｎが目標開度ａよりも小さい場合は、その小さい度合によってＡ／Ｆバルブ２２の開度を閉じ、平均開度ｂｎが目標開度ａと同じか大きい場合は、その大きい度合いに応じてＡ／Ｆバルブ２２の開度を保つ、または、さらに開き、平均開度ｂｎと目標開度ａとが一致するように制御される。

ただし、制御部１０は、平均開度ｂｎと目標開度ａとを一致させるように制御するにあたり、平均開度ｂｎを算出する際に測定されるソレノイドバルブ２１の極小開度ｂｓや極大開度ｂｌが、臨界値で連続する場合、すなわちソレノイドバルブ２１を全閉した下限開度ｂｍｉｎで連続するような場合、またはソレノイドバルブ２１を全開した上限開度ｂｍａｘで連続するような場合には、ソレノイドバルブ２１によるパータベーション制御が行われておらず、燃料ガスのカロリー変動が大きくなり過ぎてしまった結果、ソレノイドバルブ２１が下限開度ｂｍｉｎ側または上限開度ｂｍａｘ側で連続しているものと判断し、平均開度ｂｎが、下限開度ｂｍｉｎまたは上限開度ｂｍａｘに置換するまで、Ａ／Ｆバルブ２２の開度が制御される。これにより、パータベーション制御から外れる程の急激な燃料ガスのカロリー変化にも対応することができることとなる。

次に、制御部１０による燃料ガスのカロリー変化を考慮した制御について説明する。

基準となる所定カロリーの燃料ガスが供給されている場合は、上記したように制御部１０による制御が行われるが、実際に供給される燃料ガスのカロリーが基準よりも低い場合、または実際に供給される燃料ガスのカロリーが基準よりも高い場合、図５に示すように、流量調整幅Ｖ₂の大きいＡ／Ｆバルブ２２を開閉することによって、当該Ａ／Ｆバルブ２２を、その燃料ガスカロリーに合った開度に設定し直す必要がある。例えば、Ａ／Ｆバルブ２２を低カロリーガスに合わせた開度または高カロリーガスに合わせた開度とした状態において、ソレノイドバルブ２１を全開の上限開度ｂｍａｘまたは全閉の下限開度ｂｍｉｎにしたとしても、ソレノイドバルブ２１による流量調整幅Ｖ_1l，Ｖ_1hは限られており、当該ソレノイドバルブ２１だけで、カロリーの低い燃料ガスからカロリーの高い燃料ガスまでの範囲を制御することはできない。

しかも、上記したパータベーション制御のように制御部１０によってＡ／Ｆバルブ２２の開度を保ちながら、ソレノイドバルブ２１を開閉させて制御を行っている時に、燃料ガスのカロリーが変化したような場合、その変化は、ソレノイドバルブ２１によるパータベーション制御に混じってしまい、パータベーション制御により生じたものなのか、燃料ガスのカロリー変化により生じたものなのか判断がつかない。したがって、実際の運転状況では、燃料ガスのカロリーが変化したような場合であっても、素早い流量調整が可能なソレノイドバルブ２１がその変化に追従し、当該ソレノイドバルブ２１によって制御されてしまう。その結果、燃料ガスのカロリー変化による空燃比の変化を生じた場合、ソレノイドバルブ２１がより開く方向またはより閉じる方向にずれてパータベーションすることとなるが、当該ソレノイドバルブ２１の制御範囲が狭いため、すぐに制御可能範囲から外れて制御不能となってしまうこととなる。

そこで、燃料ガスのカロリー変化が生じてソレノイドバルブ２１の開度が、より開く方向またはより閉じる方向にずれ始めた場合に、ソレノイドバルブ２１ではなく、Ａ／Ｆバルブ２２によって開度調整をすることができるように、制御部１０は、以下のように制御される。

まず、理論空燃比の空気過剰率（λ＝１）でガスエンジン１のストイキ運転が開始される。このストイキ運転は、ソレノイドバルブ２１の開度の時間平均値が５０％となるように保ちながら、Ａ／Ｆバルブ２２の開度調整を行うことによって実行される。この際、燃料ガスが所定のカロリーであれば、Ａ／Ｆバルブ２２の開度も、所定のエンジン回転数や負荷でストイキ運転を行っていれば、あらかじめ制御部１０に設定されていた開度、すなわち、５０％の開度となるはずである。しかし、実際の運転時にガスエンジン１に供給される燃料ガスは、同じである保障は無く、地域によっては、一日の中で燃料ガスのカロリーが高くなったり、低くなったり変動する。

そこで、図６に示すように、燃料ガスのカロリー変化を掴むために、まず、ストイキ運転時において所定のエンジン回転数や負荷を検出し、これらの条件で制御部１０に設定されているソレノイドバルブ２１の目標開度ａを読み出す（ステップ１）。

次に、実際の運転状況における現在のソレノイドバルブ２１の極小開度ｂｓおよび極大開度ｂｌを所定回数読み出し、これらがソレノイドバルブ２１の下限開度ｂｍｉｎを所定回数読み出すことになるかまたは上限開度ｂｍａｘを所定回数読み出すことになるか、否かを確認する（ステップ２）。この際、パータベーション制御が正常に行われていると、ソレノイドバルブ２１の制御範囲内にある極小開度ｂｓと極大開度ｂｌとが交互に計測されるが、燃料ガスのカロリーがパータベーション制御から外れる程の急激な変化を起こしていると、ソレノイドバルブ２１の下限開度ｂｍｉｎが連続して計測されるか、上限開度ｂｍａｘが連続して計測されることとなる。

ソレノイドバルブ２１の下限開度ｂｍｉｎまたは上限開度ｂｍａｘの何れも連続して計測しなかった場合には、パータベーション制御が正常に行われているものと判断して、目標開度ａを読み出した時から実際の運転状況におけるソレノイドバルブ２１の開度履歴を過去にさかのぼり、一定時間におけるソレノイドバルブ２１の開度履歴の平均値を平均開度ｂｎとして算出する。この際、ソレノイドバルブ２１の極小開度ｂｓと極大開度ｂｌを過去１０サイクル分にさかのぼって測定し、平均化して平均開度ｂｎを算出する（ステップ３）。

燃料ガスのカロリーが変化していなければ、ステップ１で読み出した目標開度ａとステップ２で算出した平均開度ｂｎとは一致するので、この目標開度ａと平均開度ｂｎとを比較する（ステップ４）。

平均開度ｂｎが目標開度ａよりも小さい場合、その差の分だけ燃料ガスのカロリーが大きく、ソレノイドバルブ２１が閉じる方向にずれ始めていることとなるので、所定のレートに従って、Ａ／Ｆバルブ２２を閉じる（ステップ５）。

平均開度ｂｎが目標開度ａよりも大きい場合、その差の分だけ燃料ガスのカロリーが小さく、ソレノイドバルブ２１が開く方向にずれ始めていることとなるので、所定のレートに従って、Ａ／Ｆバルブ２２を開く。また、平均開度ｂｎが目標開度ａと同じ場合は、燃料ガスのカロリーが変化しておらず、ソレノイドバルブ２１がずれていないので、現在のレートのまま、Ａ／Ｆバルブ２２は開度を保つ（ステップ６）。

一方、ソレノイドバルブ２１の下限開度ｂｍｉｎまたは上限開度ｂｍａｘの何れかを連続して計測した場合には、燃料ガスのカロリーがパータベーション制御から外れる程の急激なカロリー変化を起こしているものと判断して、平均開度ｂｎではなく、これら下限開度ｂｍｉｎまたは上限開度ｂｍａｘのうち、連続して計測された方を使用して以後の制御を行う（ステップ７）。

まず、平均開度ｂｎを、連続して計測された、下限開度ｂｍｉｎまたは上限開度ｂｍａｘと置き換え、ステップ１で読み出した目標開度ａとを比較する（ステップ４）。

下限開度ｂｍｉｎと置き換えた場合、すなわち、下限開度ｂｍｉｎを連続して計測した場合には、目標開度ａよりも小さい分だけ燃料ガスのカロリーがパータベーション制御から外れる程、急激に高くなっていることとなるので、所定のレートに従って、Ａ／Ｆバルブ２２を閉じる（ステップ５）。

上限開度ｂｍａｘと置き換えた場合、すなわち、上限開度ｂｍａｘを連続して計測した場合には、目標開度ａよりも大きい分だけ燃料ガスのカロリーがパータベーション制御から外れる程、急激に低くなっていることとなるので、所定のレートに従って、Ａ／Ｆバルブ２２を開ける（ステップ６）。

以後、ステップ１からの制御を繰り返す。

これにより、ガスエンジン１は、基準燃料ガスよりもカロリーが低いまたは高い燃料ガスが供給された場合に、ソレノイドバルブ２１ではなく、Ａ／Ｆバルブ２２の開度調整によって対応することができるので、燃料ガスのカロリーが大きく変化するような場合であっても、その変化に対応し、ソレノイドバルブ２１によるストイキ運転のパータベーション制御を継続して行うことができる。したがって、排ガスの浄化性能を維持できる期間が長くなり、メンテナンスインターバルを長期化できる。また、触媒の貴金属量や容量を大きくしなくてもよくなり、触媒のコスト上昇を防止することができる。さらに、カロリー変化が大きな燃料ガスを使用する場合であっても、ガスエンジン１を運転することができる。また、燃料ガスのカロリーが異なる複数の国や地域で使用することが可能となる。

また、燃料ガスのカロリーがパータベーション制御から外れる程、急激に高くなったり低くなったりするような状況であっても、平均開度ｂｎを、下限開度ｂｍｉｎまたは上限開度ｂｍａｘと置き換えてＡ／Ｆバルブ２２の開度調整をすることで、パータベーション制御が可能な状態へと戻すことができる。

なお、図５に示すように、低カロリーガスが供給されている場合にソレノイドバルブ２１を全閉から全開にしたときのガス流量調整幅Ｖｌと、高カロリーガスが供給されている場合にソレノイドバルブ２１を全閉から全開にしたときのガス流量調整幅Ｖｈとは、大きく異なるため、同じ開度変化量でパータベーション制御を行うと、空燃比の変動がうまくいかなくなってしまう。したがって、ソレノイドバルブ２１によってストイキ運転のパータベーション制御を行う場合に、Ａ／Ｆバルブ２２の開度を低カロリーガスに合わせ直したときは、ソレノイドバルブ２１の開閉度は流量調整幅Ｖｌを考慮した開度変化量とし、Ａ／Ｆバルブ２２の開度を高カロリーガスに合わせ直したときは、ソレノイドバルブ２１の開閉度は流量調整幅Ｖｈを考慮した開度変化量としてパータベーション制御をすることが好ましい。この場合、流量調整幅Ｖｌ、Ｖｈを考慮したソレノイドバルブ２１の開度変化量は、Ａ／Ｆバルブ２２の開度と連動する形で、制御部１０に入力設定しておくことができる。

なお、上記した実施の形態においては、目標開度ａと平均開度ｂｎとを比べてその差の分だけ、所定のレートに従ってＡ／Ｆバルブ２２を制御するようになされているが、目標開度ａと平均開度ｂｎとが完全に一致することは難しい。したがって、上記制御による場合、頻繁にＡ／Ｆバルブ２２が開いたり閉じたりを繰り返すこととなり、制御部１０への負担が大きくなってしまうことが懸念される。そこで、制御部１０にマップ化された各目標開度ａとともに、当該目標開度ａと対応する不感帯幅ｃを制御部１０に入力設定しておき、この不感帯幅ｃを用いて制御するものであってもよい。

この不感帯幅ｃとは、目標開度ａと平均開度ｂｎとの差に反応してＡ／Ｆバルブ２２が頻繁に開閉しないように設定される値であって、この値を超えた差にならないとＡ／Ｆバルブ２２の開度変更が行われないように設定される数値範囲である。したがって、この不感帯幅ｃは、使用するガスエンジン１や、その使用環境に応じて適宜設定される。

図７は、制御部１０に設けた不感帯幅ｃを利用してエンジンの空燃比制御をする場合を示している。

すなわち、図６のステップ１の場合と同様に、ストイキ運転時において所定のエンジン回転数や負荷を検出し、これらの条件で制御部１０に設定されているソレノイドバルブ２１の目標開度ａを読み出す（ステップ１１）。

次に、実際の運転状況における現在のソレノイドバルブ２１の開度を所定回数読み出す（ステップ１２）。

ソレノイドバルブ２１の下限開度ｂｍｉｎまたは上限開度ｂｍａｘを連続して計測しなかった場合には、パータベーション制御が正常に行われているものと判断して、目標開度ａを読み出した時から実際の運転状況におけるソレノイドバルブ２１の開度履歴を過去にさかのぼり、一定時間におけるソレノイドバルブ２１の開度履歴の平均値を平均開度ｂｎとして算出する。この際、ソレノイドバルブ２１の極小開度ｂｓと極大開度ｂｌを過去１０サイクル分にさかのぼって測定し、平均化して平均開度ｂｎを算出する（ステップ１３）。

目標開度ａを読み出した時と同じ、エンジン回転数や負荷が一定となった期間内における不感帯幅ｃを制御部１０から読み出す（ステップ１４）。

燃料ガスのカロリーの変化が小さければ、ステップ１１で読み出した目標開度ａとステップ１３で算出した平均開度ｂｎとの差は、不感帯幅ｃよもり小さいはずなので、この目標開度ａと平均開度ｂｎとの差（｜ａ−ｂｎ｜）を不感帯幅ｃと比較する（ステップ１５）。

目標開度ａと平均開度ｂｎとの差（｜ａ−ｂｎ｜）が、不感帯幅ｃと同じか小さい場合は、燃料ガスのカロリーの変化は許容される範囲内の変化であるため、ステップ１１からの制御が繰り返される。

目標開度ａと平均開度ｂｎとの差（｜ａ−ｂｎ｜）が、不感帯幅ｃよりも大きい場合は、燃料ガスのカロリー変化は許容される範囲を超えたものであるため、目標開度ａと平均開度ｂｎとを比較する（ステップ１６）。

平均開度ｂｎが目標開度ａよりも小さい場合、その差の分だけ燃料ガスのカロリーが大きく、ソレノイドバルブ２１が閉じる方向にずれ始めていることとなるので、所定のレートに従って、Ａ／Ｆバルブ２２を閉じる（ステップ１７）。

平均開度ｂｎが目標開度ａよりも大きい場合、その差の分だけ燃料ガスのカロリーが小さく、ソレノイドバルブ２１が開く方向にずれ始めていることとなるので、所定のレートに従って、Ａ／Ｆバルブ２２を開く。また、平均開度ｂｎが目標開度ａと同じ場合は、燃料ガスのカロリーが変化しておらず、ソレノイドバルブ２１がずれていないので、現在のレートのまま、Ａ／Ｆバルブ２２は開度を保つ（ステップ１８）。

一方、ソレノイドバルブ２１の下限開度ｂｍｉｎまたは上限開度ｂｍａｘを連続して計測した場合には、燃料ガスのカロリーがパータベーション制御から外れる程の急激なカロリー変化を起こしているものと判断して、平均開度ｂｎではなく、これら下限開度ｂｍｉｎまたは上限開度ｂｍａｘを使用して以後の制御を行う（ステップ１９）。

まず、平均開度ｂｎを、連続して計測された、下限開度ｂｍｉｎまたは上限開度ｂｍａｘと置き換え、ステップ１１で読み出した目標開度ａとを比較する（ステップ１６）。この際、平均開度ｂｎを下限開度ｂｍｉｎまたは上限開度ｂｍａｘと置き換えることによって生じる、目標開度ａと、これら下限開度ｂｍｉｎまたは上限開度ｂｍａｘとの差は、不感帯幅ｃよりも相当大きいので、不感帯幅ｃに反応して制御が遅くなることもない。したがって、ステップ１５を経て制御するものであってもよいが、少しでも情報処理負担を少なくするために、好ましくは、この図７に示すように、ステップ１５を飛ばして、ステップ１６へ進む。

下限開度ｂｍｉｎと置き換えた場合、すなわち、下限開度ｂｍｉｎを連続して計測した場合には、目標開度ａよりも小さい分だけ燃料ガスのカロリーがパータベーション制御から外れる程、急激に高くなっていることとなるので、所定のレートに従って、Ａ／Ｆバルブ２２を閉じる（ステップ１７）。

上限開度ｂｍａｘと置き換えた場合、すなわち、上限開度ｂｍａｘを連続して計測した場合には、目標開度ａよりも大きい分だけ燃料ガスのカロリーがパータベーション制御から外れる程、急激に低くなっていることとなるので、所定のレートに従って、Ａ／Ｆバルブ２２を開ける（ステップ１８）。

以後、ステップ２１からの制御を繰り返す。

これにより、ガスエンジン１は、基準燃料ガスよりもカロリーが低いまたは高い燃料ガスが供給された場合に、ソレノイドバルブ２１ではなく、Ａ／Ｆバルブ２２の開度調整によって対応することができるので、燃料ガスのカロリーが大きく変化するような場合であっても、その変化に対応し、ソレノイドバルブ２１によるストイキ運転のパータベーション制御を継続して行うことができる。

また、不感帯幅ｃを設けて制御することにより、目標開度ａと平均開度ｂｎとの差に反応してＡ／Ｆバルブ２２が頻繁に開閉するのを防止することができ、かつ、制御部１０による情報処理の負担を軽減できる。したがって、空燃比が意図せずハンチングしたりすることを防止して空燃比制御の安定化を図ることができる。

さらに、不感帯幅ｃを取り入れた制御を行っている場合であっても、燃料ガスのカロリーがパータベーション制御から外れる程、急激に高くなったり低くなったりするような状況になれば、不感帯幅ｃに反応して制御が緩慢になることもなく、Ａ／Ｆバルブ２２の開度調整を素早く行って、パータベーション制御が可能な状態へと戻すことができる。

なお、本実施の形態において、混合部２ａは、吸気経路１２に一つ設けられているが、図８（ａ）に示すように、ガスエンジン１の各シリンダヘッド１１に一つずつ設けられたものであってもよいし、図８（ｂ）に示すように、２つ以上の幾つかのシリンダヘッド１１毎に（図面では２つ）一つの単位で設けられたものであってもよい。

また、本実施の形態において、混合部２ａは、流量特性の異なるソレノイドバルブ２１とＡ／Ｆバルブ２２とを制御できるように構成しているが、図９に示すように、流量特性が同じ燃料流量調整バルブ２０を２個または３個以上（図面では３個）の複数個設けて制御できるように構成したものであってもよい。この場合、本実施の形態におけるソレノイドバルブ２１と同じように作用する燃料流量調整バルブ２０と、Ａ／Ｆバルブ２２と同じように作用する燃料流量調整バルブ２０とを備えるように構成したものであってもよいし、各燃料流量調整バルブ２０のそれぞれが、本実施の形態におけるソレノイドバルブ２１と同じように作用し、かつ、Ａ／Ｆバルブ２２と同じように作用するように構成したものであってもよい。この場合、燃料流量調整バルブ２０として、具体的には、バタフライ弁やソレノイドバルブなど、この種の燃料ガス制御に使用している各種のバルブを使用することができる。

なお、上記において、ガスエンジン１は、ストイキ運転とリーン運転とを切り替えることができるように構成されているが、ストイキ運転のみを行うように構成されたガスエンジン１であってもよい。また、ガスエンジン１は、ストイキ運転の空気過剰率を前酸素センサ３１によって検出するようになされているが、この前酸素センサ３１に代えて、全領域センサ（図示省略）を用いてストイキ運転の空気過剰率を検出するようにしたものであってもよい。

このようにして構成される上記した各ガスエンジン１は、ガスヒートポンプ装置（図示省略）の駆動源として好適に使用することができる。また、このガスエンジン１は、コージェネレーション装置（図示省略）の駆動源としても好適に使用することができる。

また、本実施の形態においては、ガスエンジン１について述べているが、ガスエンジン１の他に、パータベーション制御が行われる各種エンシンに適用するものであってもよい。

１ ガスエンジン
１０ 制御部（制御手段）
１３ 排気経路
２ 吸気部
２１ ソレノイドバルブ（第二バルブ）
２２ Ａ／Ｆバルブ（第一バルブ）
３ｂ 三元触媒（排気ガス浄化触媒）
３１ 前酸素センサ（空燃比検知センサ）
３２ 後酸素センサ
ａ 目標開度
ｂｎ 平均開度
ｂｓ 極小開度
ｂｌ 極大開度
ｂｍａｘ 上限開度
ｂｍｉｎ 下限開度

Claims (5)

1. 燃料経路に第一バルブと前記第一バルブよりも制御周期の長い第二バルブを設け、排気ガス経路に排気ガス浄化触媒を設け、前記排気ガス浄化触媒の入口側に空燃比検知センサを設け、前記第一バルブおよび前記第二バルブに対する駆動信号を発信する制御手段を設け、前記制御手段は、前記第二バルブに対して所定開度に設定する駆動信号および前記第一バルブに対して前記空燃比検知センサの検知信号に基づき燃料リッチ側または燃料リーン側へ駆動信号を発信し、燃料リッチ側から燃料リーン側に切り換える時の開度を極大開度として燃料リーン側から燃料リッチ側に切り換える時の開度を極小開度として認識して所定回数分の前記極大開度と前記極小開度に基づいて平均開度を算出し、前記平均開度がエンジン回転数および出力から予め定められている目標開度と対比して小さい場合は前記第二バルブに対して所定割合の閉じる駆動信号を発信して前記平均開度と前記目標開度とが一致するように制御するとともに、前記平均開度が前記目標開度以上の場合は所定割合の開く駆動信号を発信して前記平均開度と前記目標開度とが一致するように制御する構成のガスエンジンにおいて、
   前記制御手段が前記第一バルブの現在開度を検知し、当該現在開度が所定回数連続して前記第一バルブの上限開度または下限開度であると判定した場合に前記平均開度を前記上限開度または前記下限開度に置換して前記平均開度ではなく、前記上限開度または前記下限開度と前記目標開度とが一致するように制御することを特徴とするガスエンジン。
2. 制御手段は、平均開度を上限開度または下限開度に置換しない場合の、当該平均開度が、幅を持たせた目標開度に収束するように第二バルブの開度を調整するものである請求項１に記載のガスエンジン。
3. 第一バルブおよび第二バルブは、各シリンダヘッド毎または複数のシリンダヘッダ毎に設けられたことを特徴とする請求項１または２に記載のガスエンジン。
4. 第一バルブおよび／または第二バルブが複数設けられたことを特徴とする請求項1ないし３の何れか一に記載のガスエンジン。
5. 制御手段は、ガスエンジンの排気経路の触媒上流側に設けられた酸素センサまたは全領域センサによって測定された空燃比を基に第一バルブの開度および第二バルブの開度が設定されたものである請求項１ないし４の何れか一に記載のガスエンジン。

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