JP6493195B2

JP6493195B2 - ガスエンジンの制御方法、装置及びガスエンジン

Info

Publication number: JP6493195B2
Application number: JP2015245644A
Authority: JP
Inventors: 新一永田; 清水　明; 明清水; 峻吉川
Original assignee: JFE Engineering Corp
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 2015-12-16
Filing date: 2015-12-16
Publication date: 2019-04-03
Anticipated expiration: 2035-12-16
Also published as: JP2017110566A

Description

本発明は、ガスエンジンの制御方法、装置及びガスエンジンに係り、特に、自立運転中のガス燃料の急激な熱量変動によるエンジン回転数の過渡的な変動を最小限に抑えて、不安定、異常燃焼を解消し、運転を継続できるようにすることが可能なガスエンジンの制御方法、装置及びこれを用いたガスエンジンに関する。

ガソリンエンジンやディーゼルエンジンの燃料は、ガソリンや軽油など、規格化された液体燃料で品質が非常に安定している。

一方、ガス燃料と空気とをガス混合器において所要の空燃比で混合し、この混合気（混合ガス）を給気管を通してエンジンの燃焼室に供給し、点火燃焼するように構成されたガスエンジンが実用化されている。このようなガスエンジンにおいては、近年、燃料として高発熱量の都市ガスの他に、下水汚泥の処理過程で発生する汚泥消化ガス、動物や植物などを由来とする生物資源から発生するバイオマスガス、廃棄物燃焼ガス、製鉄プロセスで発生するコークス炉ガスなど、多種多様のガスが用いられている。しかしながら、使用するガス燃料によって、理論空気量だけでなく、燃焼速度、燃焼温度、燃焼圧力などの燃焼性が異なるので、ガスエンジンの仕様も異なることになる。

現在、都市ガスを燃料としたガスコージェネレーション、非常用発電などのシステムも普及している。都市ガスの熱量は安定しているが、今後は原料となるガス燃料の多様化によって、数秒間に４０〜４６ＭＪ／ｍ³の急激な熱量変動が想定されている。

この熱量変動は、当然、組成の変化を伴うので、大きな変動で急激な理論空燃比の変化によってエンジンがストールする虞も危惧されており、ガスエンジンを安定化して運転する技術が望まれている。

この目的で、特許文献１には、メインエンジンの他に発熱量（カロリ）計測用のガスエンジンを設置し、計測用エンジンとメインエンジンを同時に運転して、計測用エンジンから運転データを取り、この運転データに基づきメインエンジンの運転条件を制御することが記載されている。

また、特許文献２には、起動時に同一調速制御を行った際におけるエンジン回転数上昇速度から燃料ガスの種別を判別して運転条件に反映すること、及び、エンジン回転数が変動した際にスロットル弁の開度を調節してエンジン回転数の変動を制御し、調節したスロットル弁の開度が許容範囲を外れていれば燃料ガス流量調節弁の弁開度を調節し、調節した燃料ガス流量調節弁の弁開度が閾値を超えていれば、スロットル弁の開度及び燃料ガス流量調節弁の開度特性を他の燃料ガスの特性に切り替えることが記載されている。

特開２００５−２２６６２１号公報（請求項１）特開２００５−２９９４５１号公報（請求項１、段落００４０）

しかしながら、いずれの技術も、自立運転中の燃料ガスの急激な熱量変動に対応するものではなかった。

ガスエンジンは、燃料ガスの熱量変動により空燃比が変化し、燃焼速度、燃焼温度、燃焼圧力などの燃焼性に影響を受ける。具体的には、燃料ガスの熱量が小さくなって低カロリ化した場合は、燃料ガスの理論空気量が小さくなるので、ガスエンジンのコントローラが低カロリ化に対応しなければ、実際の空気過剰率λが大きくなって負荷を背負えるだけの出力を出せなくなり、エンジン回転数が低下する。ガスエンジンのコントローラは、通常、これに対処するため、スロットル弁を開けて混合気の量を増やすようスピードガバナに指示する。さらに、Ｏ₂センサなどの空燃比センサや吸気圧力センサにより、混合気の空気過剰率λがその時の燃料ガスに最適な数値になるように、燃料ガス調圧弁や燃料ガス流量調節弁を制御している。しかし、制御が安定して働くまで過渡的にエンジン回転数の変動を生じる。

ガス燃料の一つである都市ガスの熱量変動は、将来、数秒間に４０〜４６ＭＪ／ｍ³程度の急激な変動が想定され、熱量計によるリアルタイムでのモニタリングでも応答が間に合わず、エンジン側での状態変化を検知した制御が必要となる。

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、ガスエンジン発電機の自立運転において、運転中のガス燃料の急激な熱量変動によるエンジン回転数の過渡的な変動を抑えて、不安定、異常燃焼を解消し、運転を継続できるようにすることを課題とする。

本発明は、空気供給系統と、燃料ガス供給系統と、空気及び燃料ガスを混合する混合手段と、混合気の供給量を調整するためのスロットル弁と、エンジン回転数計測手段と、空燃比計測手段と、電力トランスデューサと、制御手段とを備え、エンジン回転数が一定となるように少なくとも前記燃料ガス供給系統に備えた燃料ガス流量調整弁によって燃料供給量を制御されたガスエンジンの制御に際して、前記燃料ガスの発熱量変化により電力トランスデューサの信号値が変化しないのにエンジン回転数の変動が生じた時のみ前記燃料ガス流量調整弁の制御値としての開度を過渡的に補正するものであり、前記過渡的な補正は、前記エンジン回転数の上昇に応じて前記開度を段階的に閉じるように補正し、前記エンジン回転数の低下に応じて前記開度を段階的に開くように補正することにより、前記課題を解決したものである。

更に、前記燃料ガスの発熱量変化によりエンジン回転数の変動が生じた時は、少なくとも点火時期及び点火エネルギのいずれか一方の制御値も前記エンジン回転数の変動に応じて段階的に補正することができる。ここで制御値とは、エンジンマップを含む制御回路からの制御信号であって、制御機器対象に過渡的でなく常時送信される制御信号のことである。

本発明は、又、空気供給系統と、燃料ガス供給系統と、空気及び燃料ガスを混合する混合手段と、混合気の供給量を調整するためのスロットル弁と、エンジン回転数計測手段と、空燃比計測手段と、電力トランスデューサと、制御手段とを備え、エンジン回転数が一定となるように少なくとも前記燃料ガス供給系統に備えた燃料ガス流量調整弁によって燃料供給量を制御するようにされたガスエンジンの制御装置であって、前記燃料ガスの発熱量変化により電力トランスデューサの信号値が変化しないのにエンジン回転数の変動が生じた時のみ前記燃料ガス流量調整弁の制御値としての開度を過渡的に補正する補正手段を有し、前記補正手段は、前記エンジン回転数の上昇に応じて前記開度を段階的に閉じるように補正し、前記エンジン回転数の低下に応じて前記開度を段階的に開くように補正することを特徴とするガスエンジンの制御装置により、同様に前記課題を解決したものである。

更に、前記燃料ガスの発熱量変化によりエンジン回転数の変動が生じた時は、前記補正手段が、少なくとも点火時期及び点火エネルギのいずれか一方の制御値も前記エンジン回転数の変動に応じて段階的に補正することができる。

本発明は、更に、空気供給系統と、燃料ガス供給系統と、空気及び燃料ガスを混合する混合手段と、混合気の供給量を調整するためのスロットル弁と、エンジン回転数計測手段と、空燃比計測手段と、電力トランスデューサと、エンジン回転数が一定となるように少なくとも前記燃料ガス供給系統に備えた燃料ガス流量調整弁によって燃料供給量を制御する制御手段と、前記燃料ガスの発熱量変化により電力トランスデューサの信号値が変化しないのにエンジン回転数の変動が生じた時のみ前記燃料ガス流量調整弁の制御値としての開度を過渡的に補正する補正手段と、を有し、前記補正手段は、前記エンジン回転数の上昇に応じて前記開度を段階的に閉じるように補正し、前記エンジン回転数の低下に応じて前記開度を段階的に開くように補正することを特徴とするガスエンジンを提供するものである。

本発明では、電力トランスデューサの信号値が変化しないのにエンジン回転数が変動した場合を短時間での燃料ガス熱量変動とみなし、通常のマップやフィードバック制御に沿った制御値による制御に加えて、エンジン回転数が安定するまでの間のみ、制御値のうち少なくとも燃料ガス供給系統に備えた燃料ガス流量調整弁、及び、必要に応じて、点火時期及び点火エネルギの少なくともいずれか一方も一時的に補正する。これにより、エンジン回転数が安定運転に戻るまでの時間を短縮し、エンジン回転数の変動を最小限に抑えて、不安定、異常燃焼を解消し、運転を継続できるようにすることが可能となる。

本発明が適用されるガスエンジンの全体構成の一例を示す図本発明の第１実施形態における制御の一例を示すタイムチャート本発明の第２実施形態における制御の一例を示すタイムチャート同じく点火エネルギの一例を示すタイムチャート

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。

本発明が適用される火花点火及び予混合燃焼方式のガスエンジンの例を図１に示す。このガスエンジンは、空気供給系統１０と、例えばステップモータで燃料ガス供給圧力を調整する燃料ガス調圧弁２２及び燃料ガス流量調整弁（ＦＣＶ）２４を含む燃料ガス供給系統２０と、前記空気供給系統１０及び燃料ガス供給系統２０から供給される空気及び燃料ガスを均一に混合する混合手段であるキャブレタ３０と、エンジン本体６０の排気系に配設された過給機タービン４０により駆動され、前記キャブレタ３０で混合された混合気を圧縮する過給機ブロア４２と、該過給機ブロア４２の圧縮により加熱された混合気を冷却するためのインタークーラー４４と、混合気が過剰なときに過剰な混合気を過給機ブロア４２の入口へ戻すためのターボバイパスバルブ（ＴＢＶ）４６と、混合気の供給量を調整するためのスロットル弁５０と、エンジン回転速度と出力を制御するため、該スロットル弁５０の開度を制御するスピードガバナ５２と、エンジン本体６０入側の吸気管内の圧力を検出する吸気圧力センサ５４と、例えばエンジンクランク軸の回転角を検出するクランク角センサのような回転数センサ６２、点火プラグ６４、例えば圧電型の気筒内圧センサ６６を備えたエンジン本体６０と、前記気筒内圧センサ６６と対をなす増幅器６８と、前記エンジン本体６０の出力（クランク）軸により回転駆動される（ガスエンジン）発電機７０と、電力トランスデューサ（ｋＷトランスデューサとも称する）７２と、前記エンジン本体６０の排気管に設けられた、例えば排気ガス中の酸素濃度から空燃比を検出するための空燃比センサであるＯ₂センサ８０と、スロットル弁５０前後の差圧で弁開度が例えば機械的に調整され、余剰排気を過給機タービン４０後にバイパスするためのウェストゲート弁９０と、前記吸気圧力センサ５４、回転数センサ６２、増幅器６８、電力トランスデューサ７２、Ｏ₂センサ８０などの入力に応じて、前記燃料ガス調圧弁２２、ＦＣＶ２４、ＴＢＶ４６、スロットル弁５０、点火エネルギ可変機能付き点火装置１１０などを制御することにより、エンジン負荷に対する全体の制御を行うエンジンコントローラ１００とを備えている。

前記エンジンコントローラ１００は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどのコンピュータの一般的な構成に加え、エンジンマップを含む制御回路１０２と、本発明による補正回路１０４とを備えている。

燃料ガスはキャブレタ３０で空気と混合され、過給後、エンジン本体６０へ送られる。

前記点火エネルギ可変機能付き点火装置１１０は、エンジンコントローラ１００から指令を受けた点火時期（ＩＴ）に、所定の点火エネルギパターンを点火プラグ６４に与えて混合気へ点火する。

このガスエンジンは、希薄燃焼方式であるため、エンジン出力によって空気過剰率λが１（低出力）〜１．８（高出力）程度に変化する。

そこで、自立運転において、発電機７０の負荷によらずエンジン回転数を一定に保つため、エンジンコントローラ１００はスロットル弁５０の開度を制御している。具体的には、負荷が増えるとスロットル弁５０を開いてエンジン回転数が落ちないようにする。従って、負荷投入や負荷遮断などのような急激な変動でなければ、エンジンストールや発電された電気の質の低下などの問題となるようなエンジン回転数の変動は発生しない。

一方、負荷によって最適な空気過剰率λが変わるため、空気過剰率λを制御する必要がある。空気過剰率λの制御は、空気過剰率λに対応したＯ₂センサ８０の出力値が所定の値になるように、空気供給系統１０における給入空気流量に対する燃料ガス供給量を、燃料ガス調圧弁２２による燃料ガス供給圧力とＦＣＶ２４による燃料ガス流量の制御によって行う。なお、空気過剰率λの制御値は、このときのエンジン回転数と電力トランスデューサ７２の値を、エンジンマップを含む制御回路１０２に照らし合わせて決定する。

よく知られているように、自立運転においては、負荷投入や負荷遮断のような負荷変動は、電力トランスデューサ７２の出力信号変化に続いてエンジン回転数の変動となって現れる。

これに対して、燃料ガス熱量（燃料ガスの発熱量）の変動が運転中に発生した場合は、負荷投入や負荷遮断のときのような負荷の変動がないので、電力トランスデューサ７２の信号に変化が現れない。すなわち、電力トランスデューサ７２の出力値に変化がないのにエンジン回転数が変動する状況が少なくとも燃料ガス熱量の変動初期には発生する。

本実施形態の第１実施形態では、電力トランスデューサの信号値が変化しないのにエンジン回転数が変動した時は、燃料ガスの発熱量が変化したと判断し、ＦＣＶ２４開度の制御値に過渡的に図２に示すような補正係数（補正係数１）を加算している。即ち、熱量が増加してエンジン回転数が上昇したときには、ＦＣＶ２４の開度の制御値に対して閉方向の補正係数を加算して燃料ガス流量を過渡的に少なくし、逆に、熱量が減少してエンジン回転数が低下したときには、ＦＣＶ２４の開度の制御値に対して開方向の補正係数を過渡的に加算して多めに開けることで燃料ガス流量を過渡的に多くする。このようにして、燃料供給量の制御値を過渡的に補正することで、熱量変動に伴う不安定燃焼から安定運転に達するまでの時期を早めることができる。

即ち、熱量変動によりエンジン回転数の変動が生じたときは、ＦＣＶ２４の開度を開方向又は閉方向に補正し、空気過剰率λを変更することで燃焼を変え、エンジン回転数の整定を早める。具体的には、電力トランスデューサ７２の信号値が変化しないのにエンジン回転数が変動した時は、エンジン回転数の変動の大きさによってＦＣＶ２４の制御値に図２に示すような段階的な補正係数（補正係数１）を加算する。

一方、ＦＣＶ２４や燃料ガス調圧弁２２による燃料供給量の補正だけではエンジン回転数の変動を十分に抑えられない場合がある。そこで、本発明の第２実施形態では、燃料ガス熱量変動時に更に点火時期ＩＴと点火エネルギの制御値に図３に示すような補正係数（補正係数２と３）を加算する機能を持っている。本実施形態では、点火時期ＩＴと点火エネルギを補正することで、熱量変動に伴う不安定燃焼から安定運転に達するまでの時間を早める。

即ち、熱量変動によりエンジン回転数に増加（又は減少）が生じたときは、点火時期ＩＴを過剰側に遅角（又は進角）し、更に点火エネルギを増加（又は減少）させ、火花の発生期間を長く（短く）保つように変更することで燃焼を変え、エンジン回転数の整定を早める。

具体的には、エンジン回転数の変動で熱量変動を検知した時は、エンジン回転数の変動の大きさによって点火時期ＩＴと点火エネルギの制御値に図３に示すような段階的な補正係数２と３を加算する。

ここで、点火電流は、図４（Ａ）（Ｂ）に横軸を時間、縦軸を電流として例示する如く、点火電流が発生する時間を瞬時でなく期間として維持・制御でき、火花の発生期間を調節することで、点火電流の積分値、即ち点火エネルギを増減することができる。

なお、前記実施形態においては、本発明が希薄燃焼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、空気過剰率λがほぼ１のストイキオメトリック方式のガスエンジンにも同様に適用できる。

また、前記実施形態においては、本発明が過給機を備えた過給式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、過給機を持たない自然給気式ガスエンジンにも同様に適用できる。

１０…空気供給系統
２０…燃料ガス供給系統
２２…燃料ガス調圧弁
２４…燃料ガス流量調整弁（ＦＣＶ）
３０…キャブレタ
４０…過給機タービン
４２…過給機ブロア
４４…インタークーラー
４６…ターボバイパスバルブ（ＴＢＶ）
５０…スロットル弁
５２…スピードガバナ
５４…吸気圧力センサ
６０…エンジン本体
６２…回転数センサ
６４…点火プラグ
６６…気筒内圧センサ
６８…増幅器
７０…発電機
７２…電力トランスデューサ
８０…Ｏ₂（空燃比）センサ
９０…ウェストゲート弁
１００…エンジンコントローラ
１０２…エンジンマップを含む制御回路
１０４…補正回路
１１０…点火エネルギ可変機能付き点火装置

Claims

空気供給系統と、燃料ガス供給系統と、空気及び燃料ガスを混合する混合手段と、混合気の供給量を調整するためのスロットル弁と、エンジン回転数計測手段と、空燃比計測手段と、電力トランスデューサと、制御手段とを備え、エンジン回転数が一定となるように少なくとも前記燃料ガス供給系統に備えた燃料ガス流量調整弁によって燃料供給量を制御されたガスエンジンの制御に際して、
前記燃料ガスの発熱量変化により電力トランスデューサの信号値が変化しないのにエンジン回転数の変動が生じた時のみ前記燃料ガス流量調整弁の制御値としての開度を過渡的に補正するものであり、
前記過渡的な補正は、前記エンジン回転数の上昇に応じて前記開度を段階的に閉じるように補正し、前記エンジン回転数の低下に応じて前記開度を段階的に開くように補正することを特徴とするガスエンジンの制御方法。
前記燃料ガスの発熱量変化によりエンジン回転数の変動が生じた時は、少なくとも点火時期及び点火エネルギのいずれか一方の制御値も前記エンジン回転数の変動に応じて段階的に補正する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方法。
空気供給系統と、燃料ガス供給系統と、空気及び燃料ガスを混合する混合手段と、混合気の供給量を調整するためのスロットル弁と、エンジン回転数計測手段と、空燃比計測手段と、電力トランスデューサと、制御手段とを備え、エンジン回転数が一定となるように少なくとも前記燃料ガス供給系統に備えた燃料ガス流量調整弁によって燃料供給量を制御するようにされたガスエンジンの制御装置であって、
前記燃料ガスの発熱量変化により電力トランスデューサの信号値が変化しないのにエンジン回転数の変動が生じた時のみ前記燃料ガス流量調整弁の制御値としての開度を過渡的に補正する補正手段を有し、
前記補正手段は、前記エンジン回転数の上昇に応じて前記開度を段階的に閉じるように補正し、前記エンジン回転数の低下に応じて前記開度を段階的に開くように補正することを特徴とするガスエンジンの制御装置。
前記燃料ガスの発熱量変化によりエンジン回転数の変動が生じた時は、前記補正手段が、少なくとも点火時期及び点火エネルギのいずれか一方の制御値も前記エンジン回転数の変動に応じて段階的に補正す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。
空気供給系統と、
燃料ガス供給系統と、
空気及び燃料ガスを混合する混合手段と、
混合気の供給量を調整するためのスロットル弁と、
エンジン回転数計測手段と、
空燃比計測手段と、
電力トランスデューサと、
エンジン回転数が一定となるように少なくとも前記燃料ガス供給系統に備えた燃料ガス流量調整弁によって燃料供給量を制御する制御手段と、
前記燃料ガスの発熱量変化により電力トランスデューサの信号値が変化しないのにエンジン回転数の変動が生じた時のみ前記燃料ガス流量調整弁の制御値としての開度を過渡的に補正する補正手段と、を有し、
前記補正手段は、前記エンジン回転数の上昇に応じて前記開度を段階的に閉じるように補正し、前記エンジン回転数の低下に応じて前記開度を段階的に開くように補正することを特徴とするガスエンジン。
前記燃料ガスの発熱量変化によりエンジン回転数の変動が生じた時は、前記補正手段が、少なくとも点火時期及び点火エネルギのいずれか一方の制御値も前記エンジン回転数の変動に応じて段階的に補正することを特徴とする請求項５に記載のガスエンジン。