JP6621607B2 - ガスエンジン発電機、その制御プログラム、その記録媒体およびその制御方法 - Google Patents

Description

本発明はたとえば、燃料ガスにより駆動するガスエンジン発電機のエンジン制御に関する。

燃料ガスを用いるガスエンジンを駆動源とするガスエンジン発電機では、発電出力がガスエンジンの回転数に依存する。このガスエンジンの回転数は燃料供給量や燃料濃度に依存する。燃料供給はスロットルによって、また、燃料濃度はニードルによって調整される。

このガスエンジン発電機を備える発電システムに関し、発電機出力を受ける電力系統の電力需要に応じてガスエンジンの燃料を制御し、負荷の急変に対してガスエンジンと発電機の慣性エネルギにより追従させ、回転数調整を行うことが知られている（たとえば、引用文献１）。

ガスエンジンには、燃料供給通路にメインジェットより上流側で分岐した補助通路にサブジャットを設け、このサブジャットを吸気通路に設けた導入孔からの負圧で作動する負圧制御弁で開閉させることが知られている（たとえば、特許文献２）。

特開２００５−２４５１０５号公報 実公平８−２４６０号公報

ところで、商用電源など系統電源の停電時、ガスエンジン発電機の発電出力を系統電源に代わって電力負荷に供給するシステムでは、ガスエンジン発電機に対し電力負荷の増減に発電出力を追従させる制御が行われている。この制御では、負荷の増減変化をガスエンジン発電機に帰還するフィードバック制御が行われており、負荷の増減変化に応じた発電出力が得られ、エンジン回転数を一定に維持することができるが、電力負荷に対応した発電出力を得る追従性はあるものの、即応性に欠けるという課題がある。

このような制御は、電力負荷からガスエンジン発電機に要求される発電出力が予測できる場合であっても、常に制御量を再計算する処理を含む制御では、その分だけ応答性が低下してしまうという課題がある。

そこで、本発明の目的は上記課題に鑑み、発電出力を受ける負荷の消費電力の変動によってエンジンを制御することにある。

上記目的を達成するため、本発明のガスエンジン発電機の一側面によれば、所定周波数に対応するエンジン回転数に制御されるガスエンジン発電機であって、燃料ガスを含む混合気を生成し、該混合気中の前記燃料ガスの混合比、エンジンに供給する混合気量を調整する混合気調整手段と、発電出力を受ける負荷の消費電力を検出する検出手段と、発電出力の周波数に応じて決定される目標回転数毎に作成され、該目標回転数毎に前記消費電力に対応した少なくとも前記混合気量および前記混合比を格納した情報テーブルと、設定周波数に対応する目標回転数に必要な混合気量および混合比を前記混合気調整手段に設定してエンジンを駆動し、前記設定周波数に対応する目標回転数に応じて選択された前記情報テーブルを参照して前記消費電力に対応する前記混合気量および前記混合比に更新し、前記エンジンを前記目標回転数に制御する制御手段とを備えればよい。

上記目的を達成するため、本発明のガスエンジン発電機の一側面によれば、所定周波数に対応するエンジン回転数に制御されるガスエンジン発電機であって、燃料ガスを含む混合気を生成し、該混合気中の前記燃料ガスの混合比、エンジンに供給する混合気量を調整する混合気調整手段と、発電出力を受ける負荷の消費電力を検出する検出手段と、目標回転数毎に前記消費電力に対応した少なくとも前記混合気量および前記混合比を格納した情報テーブルと、起動時、無負荷時の目標回転数に必要な混合気量および混合比を前記混合気調整手段に設定してエンジンを駆動し、該エンジンの起動後、前記情報テーブルから前記検出手段で検出される前記消費電力に対応する混合気量および混合比を求め、または、該混合気量および該混合比を補完した混合気量および混合比を求め、前記混合気調整手段に設定される前記混合気量および前記混合比を更新し、前記エンジンを前記目標回転数に制御する制御手段とを備えればよい。

上記目的を達成するため、本発明のガスエンジン発電機の一側面によれば、所定周波数に対応するエンジン回転数に制御されるガスエンジン発電機であって、燃料ガスを含む混合気を生成し、該混合気中の前記燃料ガスの混合比、エンジンに供給する混合気量を調整する混合気調整手段と、発電出力を受ける負荷の消費電力を検出する検出手段と、目標回転数毎に前記消費電力に対応した少なくとも前記混合気量および前記混合比と、前記混合気量および前記混合比で得られる効率とを格納した情報テーブルと、目標回転数に必要な混合気量および混合比を前記混合気調整手段に設定してエンジンを駆動し、前記情報テーブルを参照して前記効率に応じて前記消費電力に対応する前記混合気量および前記混合比を選択し、該選択した前記混合気量および前記混合比に更新し、前記エンジンを前記目標回転数に制御する制御手段とを備えればよい。

上記目的を達成するため、本発明のガスエンジン発電機の制御プログラムの一側面によれば、所定周波数に対応するエンジン回転数に制御されるガスエンジン発電機に搭載したコンピュータに実行させるための制御プログラムであって、燃料ガスを含む混合気を生成し且つ該混合気中の前記燃料ガスの混合比、エンジンに供給する混合気量を調整する混合気調整手段に対し、設定周波数に対応する目標回転数に必要な混合気量および混合比を設定してエンジンを駆動し、発電出力の周波数に応じて決定される目標回転数毎に作成され、且つ前記混合気調整手段に設定される少なくとも前記混合気量および前記混合比を発電出力を受ける負荷から検出された消費電力に対応させて格納した情報テーブルから、前記設定周波数に対応する目標回転数に応じて選択された前記情報テーブルを参照し、前記消費電力に対応する前記混合気量および前記混合比に更新し、前記エンジンを前記目標回転数に制御する機能を前記コンピュータで実現すればよい。

上記目的を達成するため、本発明のガスエンジン発電機の記録媒体の一側面によれば、系統電源周波数に対応するエンジン回転数に制御されるガスエンジン発電機に搭載したコンピュータに実行させるための制御プログラムの実行に用いられる記録媒体であって、燃料ガスを含む混合気を生成し該混合気中の前記燃料ガスの混合比、エンジンに供給する混合気量を調整する混合気調整手段に設定される少なくとも前記混合気量および前記混合比を負荷の消費電力に対応させて格納する情報テーブルが、発電出力の周波数に応じて決定される目標回転数毎に作成されて記録されてよい。

上記目的を達成するため、本発明のガスエンジン発電機の制御方法の一側面によれば、所定周波数に対応するエンジン回転数に制御されるガスエンジン発電機の制御方法であって、発電出力を受ける負荷の消費電力を検出する工程と、燃料ガスを含む混合気を生成し且つ該混合気中の前記燃料ガスの混合比、エンジンに供給する混合気量を調整する混合気調整手段に対し、設定周波数に対応する目標回転数に必要な混合気量および混合比を設定してエンジンを駆動し、発電出力の周波数に応じて決定される目標回転数毎に作成され、且つ前記混合気調整手段に設定される少なくとも前記混合気量および前記混合比を前記消費電力に対応させて格納した情報テーブルから、前記設定周波数に対応する目標回転数に応じて選択された前記情報テーブルを参照し、前記消費電力に対応する前記混合気量および前記混合比に更新し、前記エンジンを前記目標回転数に制御する工程とを含めばよい。

本発明によれば、次のような効果が得られる。

(1) 発電出力を受ける負荷の消費電力の変動に応じてエンジンに供給される混合気量および混合気の混合比を情報テーブルから読み出して更新し、負荷の消費電力の変動にエンジン制御の応答性を高めることができる。

(2) 発電出力を受ける負荷の消費電力の変動に対して発電電力を制御するので、負荷に対して安定した発電出力を供給することができる。

(3) エンジンに供給される混合気量および混合気の混合比が発電出力を受ける負荷の消費電力の変動に応じて調整されるので、混合比を制御するための排気センサーや混合比検出手段が不要である。

(4) エンジンに供給される混合気量および混合気の混合比が発電出力を受ける負荷の消費電力の変動に応じて調整されるので、ガスエンジン発電機自体で交流電源出力制御を実現でき、ガスエンジン発電機にインバータ制御機器の設置を省略できる。

一実施の形態に係るガスエンジン発電機の一例を示す図である。 エンジン制御の処理手順を示すフローチャートである。 一実施例に係るガスエンジン発電機の一例を示す図である。 ガスエンジン発電機の制御系統の一例を示す図である。 ミキサーおよびミキサー駆動部の一例を示す図である。 回転数の制御系統を示す図である。 混合比テーブルを示す図である。 混合比テーブルの作成に用いられる実測混合比テーブルおよび実測値を表す図である。 他の混合比テーブルの作成に用いられる実測混合比テーブルおよび実測値を表す図である。 回転数制御の処理手順を示すフローチャートである。

図１は、一実施の形態に係るガスエンジン発電機の一例を示している。図に示す構成は一例であり、係る構成に本発明が限定されるものではない。

このガスエンジン発電機２では、系統電源周波数など、所定の周波数ｆにより目標回転数Ｎｆが設定され、この目標回転数Ｎｆにエンジン回転数Ｎが制御される。このガスエンジン発電機２には、エンジン４、混合気調整手段６、発電機８、検出手段１０、情報テーブル１２および制御手段１４が備えられる。

エンジン４は燃料ガスＧを含む混合気を燃料とするガスエンジンである。混合気調整手段６は、該混合気を燃料ガスＧに一例として空気Ａｒを混合して生成し、該混合気中の燃料ガスＧの混合比、エンジン４に供給する混合気量を調整する。

発電機８は、エンジン４の回転を受け発電する。系統電源１６をたとえば、交流１００〔Ｖ〕とすれば、発電出力は同様に交流１００〔Ｖ〕である。この発電出力は、系統電源１６の停電時、制御手段１４を通じて負荷１８に供給される。負荷１８は発電出力を受け電力を消費する。検出手段１０は、負荷１８の消費電力を検出し、この検出出力を制御手段１４に提供する。

情報テーブル１２は、エンジン４の目標回転数Ｎｆ毎、負荷１８の消費電力に対応した少なくとも混合気量および混合比λを格納している。このエンジン４の制御では、混合気量は主としてスロットルの位置で決定され、混合比λは燃料ガスＧと空気Ａｒの比率であり、主としてニードルの位置で決定される。ニードルの位置を変更すると、その分だけ混合気量が変化するが、その変動値を無視すれば、ニードルの位置＝混合比λとなる。情報テーブル１２には混合気量、混合比λとしてたとえば、スロットルの位置、ニードルの位置および設定される混合比λを格納すればよい。

制御手段１４は、エンジン４の目標回転数Ｎｆに必要な混合気量および混合比λを混合気調整手段６に設定してエンジン４を駆動する。その駆動後、制御手段１４は情報テーブル１２を参照し、混合気調整手段６に設定されている混合気量および混合比を負荷１８の消費電力に対応する混合気量および混合比λに更新し、エンジン４を目標回転数Ｎｆに制御する。

このガスエンジン発電機２では、系統電源１６の周波数ｆに対応した目標回転数Ｎｆが設定される。エンジン４の機械角の１回転で発電機８の電気角が２回転するものとすれば、ｆ＝５０〔Ｈｚ〕の場合：Ｎｆ１＝５０×６０÷２＝１５００〔ｒｐｍ〕、６０〔Ｈｚ〕の場合：Ｎｆ２＝６０×６０÷２＝１８００〔ｒｐｍ〕である。

＜処理手順＞

図２は、ガスエンジン発電機のエンジン制御の処理手順を示している。この処理手順は、本発明のガスエンジン発電機の制御方法または制御プログラムの一例である。

この処理手順には、情報テーブル１２の作成（Ｓ１０１）、エンジン４の駆動（Ｓ１０２）、負荷１８の消費電力の検出（Ｓ１０３）、混合気量および混合比λの調整（Ｓ１０４）が含まれる。情報テーブル１２の作成では、予め、エンジン４の目標回転数Ｎｆ１、Ｎｆ２毎に消費電力に対応した少なくとも混合気量および混合比λを含む情報テーブル１２が作成される。

制御手段１４は、無負荷時の混合気量を設定してエンジン４の駆動を開始する（Ｓ１０２）。

エンジン４の駆動後、負荷１８の消費電力を取得する（Ｓ１０３）。この消費電力は検出手段１０により検出され、たとえば、負荷１８の印加電圧、負荷電流を検出すればよい。

このエンジン駆動後、情報テーブル１２を参照し、混合気調整手段６に設定されている混合気量および混合比λは、負荷１８の消費電力に対応する混合気量および混合比λに更新される（Ｓ１０４）。

＜一実施の形態の効果＞

(1) 負荷１８の消費電力の増減を検出し、混合気調整手段６に設定される混合気量および混合気の混合比を情報テーブル１２から読み出して更新するので、負荷１８の消費電力の変動にエンジン制御の応答性が高められる。

(2) 負荷１８の消費電力の変動に対して発電電力を制御するので、負荷１８に対して安定した発電出力を供給できる。

(3) 混合気調整手段６に設定される混合気量および混合気の混合比λが負荷１８の消費電力の変動に応じて調整されるので、混合比λを制御するための排気センサーや混合比検出手段を不要化できる。

(4) ガスエンジン発電機２で交流電源出力制御を実現でき、ガスエンジン発電機２にインバータ制御機器を設置する必要がない。

＜ガスエンジン発電機２＞

図３は、ガスエンジン発電機２の一実施例を示している。図に示す構成は一例であり、係る構成に本発明が限定されるものではない。図３において、図１と共通する部分には同一符号を付してある。

このガスエンジン発電機２には筐体２０が備えられ、この筐体２０にエンジン４、発電機８、バッテリー２１、制御ボックス２２、吸気部２４、排気部２６などが備えられている。

エンジン４にはミキサー２８、スタータ３０、点火部３２、クーラント部３４が備えられる。スタータ３０にはエンジン４の圧縮工程で発生する回転抵抗に打ち勝つ強力なトルクを発生させるモータが用いられる。このスタータ３０はバッテリー２１を電源として回転し、その回転速度はたとえば、５０〜３００〔ｒｐｍ〕である。

点火部３２は、複数のスパークプラグ３６−１、３６−２、３６−３が備えられ、各スパークプラグ３６−１、３６−２、３６−３にはイグナイタ３８が点火コイル４０−１、４０−２、４０−３を介して接続されている。

エンジン４はたとえば、水冷エンジンである。そこで、クーラント部３４は、冷却水を循環させてエンジン４を冷却する。このクーラント部３４にはウォーターポンプ４２およびラジエータ４４が用いられている。ウォーターポンプ４２は冷却水の循環に用いられ、エンジン４の回転力を受けて回転する。ラジエータ４４はラジエータファン４６の回転により、周囲の空気と循環する冷却水との熱交換を行い、冷却水を放熱させる。冷却水温度は温度センサー４８−１によって検出される。また、エンジン４にはエンジン４の回転速度を検出する速度センサー４８−２、カムの位置を検出するカムポジションセンサー４８−３、油圧によってオン、オフする油圧スイッチ４８−４が備えられる。エンジン４の排気は排気部２６にあるマフラ７６を通して排気される。

ミキサー２８は混合気調整手段６の一例である。このミキサー２８には吸気部２４から空気Ａｒ、燃料供給部５０から燃料ガスＧが供給される。この燃料ガスＧの供給路５２には、電磁弁５４−１、５４−２およびガスレギュレータ５６が備えられる。電磁弁５４−１、５４−２は燃料ガスＧの供給、その停止に用いられる。ガスレギュレータ５６は供給される燃料ガスＧの圧力を大気圧と同一圧力に調整する圧力調整器（ゼロガバナ）であり、ガスレギュレータ５６からエンジン４までの間において吸気負圧が作用しない限り、燃料ガスＧの供給を阻止し、ミキサー２８に対する燃料ガスＧの供給を安定化させる。そして、ミキサー２８はミキサー駆動部５８によって駆動され、このミキサー駆動部５８には制御ボックス２２から制御信号が付与される。

発電機８はエンジン４の回転を受けて発電し、たとえば、インバータレス発電機である。この発電機８には自動電圧調整器（Automatic Voltage Regulator ：ＡＶＲ）６０が備えられる。ＡＶＲ６０は負荷変動や回転数の影響を受けることなく、発電出力を一定電圧に調整する。

制御ボックス２２には電気制御ユニット（Electric Control Unit ：ＥＣＵ）６２、自動切替スイッチ（Automatic Transfer Switch ：ＡＴＳ）６４、操作パネル６６などが備えられる。ＥＣＵ６２は電力の授受、エンジン制御、電源切替え、バッテリー充電などの制御を司る。発電機８の発電出力はＥＣＵ６２に入力され、バッテリー２１に電力を供給する。

この例では、系統電源１６に商用電源６８が用いられている。この商用電源６８は、サージボックス７０、ＡＴＳ６４を介してＥＣＵ６２に給電される。サージボックス７０は系統電源１６のサージ吸収を行う。ＡＴＳ６４には電磁接触器７２および漏電ブレーカ７４を介して負荷１８が接続されている。ＡＴＳ６４は、商用電源６８の停電を検出し、負荷１８に対する電力供給の選択について、系統連係時には商用電源６８を選択し、停電時に発電機８の発電出力に切り替える。

＜ガスエンジン発電機２の制御系統＞

図４は、ガスエンジン発電機２の制御系統の一例を示している。

この制御系統には、発電機８、負荷１８、制御ボックス２２内の機能部、電磁弁５４−１、５４−２およびエンジンアッシー（ＡＳＳＹ）７８が含まれる。エンジンＡＳＳＹ７８はエンジン４側にあるセンサー類やミキサー２８のミキサー駆動部５８をエンジン４と別個のひとつのユニットに構成されている。この例では、温度センサー４８−１、速度センサー４８−２、カムポジションセンサー４８−３、油圧スイッチ４８−４、イグナイタ３８、イグナイタ制御部８０、スロットルモータ８２およびニードルモータ８４が含まれる。イグナイタ制御部８０は、カムポジションセンサー４８−３で検出されるカムポジションに応じてイグナイタ３８に点火信号を出力する。

ＥＣＵ６２はコンピュータによって構成されている。このＥＣＵ６２ではプロセッサ８６、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory ）８８、ＲＡＭ（Random-Access Memory）９０、入出力部（Ｉ／Ｏ）９２、電流測定回路９４、電圧測定回路９６が含まれる。プロセッサ８６は記憶手段に格納されているプログラムを実行し、ＥＥＰＲＯＭ８８にある情報テーブル１２の格納情報によるミキサー２８の制御を含む、ガスエンジン発電機２の各種の制御を司る。プログラムの格納にはＲＯＭ（Read-Only Memory）を用いればよいがＥＥＰＲＯＭ８８を用いてもよい。ＲＯＭにはハードディスクや半導体メモリなどの記録媒体を用いればよい。

ＥＥＰＲＯＭ８８に格納される情報テーブル１２には、エンジン回転数に対応したスロットル位置、ニードル位置、効率などが記録される。ＲＡＭ９０は、プログラムを展開し、エンジン制御のワークエリアとして用いられる。

Ｉ／Ｏ９２は、電流測定回路９４および電圧測定回路９６の測定出力の入力、操作パネル６６の機能部の入出力、エンジンＡＳＳＹ７８の入出力、電磁弁５４−１、５４−２に対する出力に用いられる。

電流測定回路９４および電圧測定回路９６は検出手段１０の一例である。電流測定回路９４は発電機８の発電出力を負荷１８に給電する給電線９８に備えたカレントトランス９４−１、９４−２を用いて負荷電流を検出する。この例では、給電線９８のＲ相にカレントトランス９４−１、Ｔ相にカレントトランス９４−２が備えられる。また、電圧測定回路９６は発電機８の発電出力を受け、負荷１８の印加電圧を検出する。これら検出出力はＩ／Ｏ９２に取り込まれ、電流および電圧を負荷情報とし、プロセッサ８６は負荷１８に消費される消費電力を算出し、スロットル位置およびニードル位置の検索を行う。

操作パネル６６には表示部１００、運転スイッチ１０２、非常停止スイッチ１０４が備えられる。表示部１００にはたとえば、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）が用いられ、制御状況や入力情報などが表示される。運転スイッチ１０２は運転開始に使用し、この運転スイッチ１０２のオンにより、ＥＣＵ６２の動作が開始される。非常停止スイッチ１０４は、非常停止の際に操作される。

図５は、ミキサー２８およびミキサー駆動部５８の一例を示している。この例では、ミキサー２８には吸気路１０６が備えられる。この吸気路１０６には、空気Ａｒが取り込まれ、該空気量を可変するスロットルバルブ１０８が回転機構１１０により回転可能に取り付けられている。この回転機構１１０にはミキサー駆動部５８のスロットルモータ８２が連結されている。このスロットルモータ８２の回転によって、スロットルバルブ１０８の開度が調整される。つまり、これが既述のスロットル位置である。

吸気路１０６のスロットルバルブ１０８より吸気側には、燃料供給路１１２が形成されている。この燃料供給路１１２の中途部にはニードル１１４が進退機構１１６により進退可能に取り付けられている。進退機構１１６にはミキサー駆動部５８のニードルモータ８４が連結されている。このニードルモータ８４の回転によって、ニードル１１４の位置が調整され、燃料ガスＧを噴出させる噴出口部１１８の開度が調整される。つまり、これが既述のニードル位置である。

係る構成によれば、スロットルバルブ１０８により空気Ａｒの量が調整され、ニードル１１４の位置によって燃料ガスＧの量が調整されるので、エンジン４に対する混合気Ｍの供給量および混合比λを調整することができる。

＜エンジン４の回転制御＞

図６は、エンジン４の回転数制御の機能ブロックを示している。

この回転数制御には、エンジン４の回転数Ｎを設定周波数ｆに対応する目標回転数Ｎｆに制御するための制御として：
ア）無負荷におけるスロットル位置およびニードル位置を付与するフィードフォワード（FeedForward ：ＦＦ）制御
イ）負荷１８の消費電力、該消費電力に応じたスロットル位置およびニードル位置を更新するＦＦ制御
ウ）実測回転数による回転数補正のためのフィードバック（FeedBack：ＦＢ）制御
が含まれる。

図６において、Ｇ（ｓ）はスロットル位置およびニードル位置を入力要素とするエンジン４の伝達関数、ＦＦはＦＦ制御の要素、Ｔｓは時定数、Ｋは係数、１２０−１、１２０−２、１２０−３、１２０−４は加算器である。ＦＦには、無負荷のスロットル位置およびニードル位置を表すＦＦ値が設定される。これにより、上記ア）のＦＦ制御が行われる。

上記イ）のＦＦ制御を行うため、この制御系には外乱オブザーバ１２２が用いられている。この外乱オブザーバ１２２は、負荷１８の消費電力の変動、混合比λの調整値、周波数ｆ１またはｆ２を入力要素とし、外乱制御出力としてスロットル位置およびニードル位置を出力する。この外乱オブザーバ１２２は、既述のプロセッサ８６などのコンピュータによって実現される情報処理手段である。この外乱オブザーバ１２２には既述の情報テーブル１２の一例である混合比テーブル１２４−１、１２４−２が用いられる。周波数ｆ１はたとえば、系統周波数の５０〔Ｈｚ〕、周波数ｆ２はたとえば、系統周波数の６０〔Ｈｚ〕である。したがって、混合比テーブル１２４−１は周波数ｆ１（目標回転数Ｎｆ＝１５００〔ｒｐｍ〕）、混合比テーブル１２４−２は周波数ｆ２（目標回転数Ｎｆ＝１８００〔ｒｐｍ〕）に対応する。混合比λの調整値は、標高による気圧の変化や気温、ニードル等の各種部品のバラツキによる調整であり、ニードル値に対し設定した割合で増減させる（‐９９〜＋９９％）。

上記ウ）のＦＢ制御を行うため、エンジン４の回転数Ｎが速度センサー４８−２により検出され、この検出値が加算器１２０−１にフィードバックされる。これにより、Ｐ制御、Ｉ制御およびＤ制御を行う。このフィードバックされた回転数Ｎは、加算器１２０−１により目標回転数Ｎｆから減算され、両者の偏差値によってスロットル位置の制御が行われる。この制御は加算器１２０−１から加算器１２０−４に至る系統で実行される。

このような制御を行うガスエンジン発電機２では、発電出力の周波数ｆは系統電源１６の周波数により決定され、この周波数ｆはエンジン４の回転数Ｎに依存する。周波数ｆに応じて目標回転数Ｎｆが決定され、この目標回転数Ｎｆにエンジン４の回転数Ｎを制御する。この回転数Ｎは、ミキサー２８のスロットル位置およびニードル位置によって制御される。スロットル位置は混合気量を表し、ニードル位置は燃料濃度を表す。

このエンジン４を駆動源とする発電機２において、負荷１８の消費電力が変動してもエンジン４の回転数Ｎを目標回転数Ｎｆに維持するにはスロットル位置およびニードル位置の調整が必要である。

この回転数制御に影響する変動要因には次のような要素がある。

ａ．スロットル開度によってエンジン４の回転数Ｎが変化する。つまり、スロットルバルブ１０８を開けば、回転速度が上昇し、スロットルを閉じれば回転速度が低下する。回転速度は単位時間当たりの回転数であるから、回転速度の昇降は回転数の増減である。
ｂ．ニードル位置も回転数に影響を及ぼす。
ｃ．負荷１８の消費電力が増加すると、エンジン４の回転数Ｎが低下する。
ｄ．負荷１８とエンジン４の回転数Ｎは、スロットル位置およびニードル位置に依存し、これらの位置は概ね決まっている。
ｅ．負荷１８の消費電力は電気的に検出できる。
ｆ．負荷１８以外の外乱要素には、負荷１８の消費電力を検出するセンサーの検出誤差、速度センサーの速度取込み誤差（たとえば、ＥＣＵ６２のクロック誤差）、エンジン４の特性バラツキ、発電機８の特性バラツキ、燃料ガスＧのガス圧、標高による大気圧変動、エンジン４の周囲温度などが想定される。

そこで、このエンジン制御では以下の制御を行う。

(1) 負荷１８の消費電力の変動がエンジン４の回転数Ｎの変化に現れるので、回転数Ｎの変化に応じてスロットル位置（開度）の調整を行う。これは、ＦＢ制御で行う。

(2) 負荷１８の消費電力およびその変動は外乱と捉える。この消費電力を直接検出し、外乱ロバスト制御を構成する。この外乱ロバスト制御について、具体的には次の通りとする。
（2-1) 既述のｄ．を前提とし、無負荷のスロットル位置をＦＦ値で与える。
（2-2) 既述のｄ．を前提とし、負荷１８の消費電力に応じてスロットル位置およびニードル位置を混合比テーブル１２４−１、または混合比テーブル１２４−２で与える。

(3) 負荷１８以外の外乱要素は、加算器１２０−１，１２０−２の間のＰＩＤ（Proportional-Integral-Derivative）制御のＩ成分に設定する。これにより、ロバスト性を確保する。

(4) 負荷１８の消費電力は負荷電流と印加電圧の積であるから、これらを個別に測定すれば、回転数Ｎの直接検出より早く、回転数Ｎの変動を検知できる。

(5) 負荷１８の消費電力の変動に対し、応答性の良いガスエンジン発電機２が得られる。

＜混合比テーブル１２４−１、１２４−２＞

このガスエンジン発電機２では一例として２種の混合比テーブル１２４−１、１２４−２が用いられている。混合比テーブル１２４−１は、発電出力の周波数ｆ＝５０〔Ｈｚ〕（エンジン４の目標回転数Ｎｆ＝１５００〔ｒｐｍ〕）の場合に用いられ、混合比テーブル１２４−２は、発電出力の周波数ｆ＝６０〔Ｈｚ〕（エンジン４の目標回転数Ｎｆ＝１８００〔ｒｐｍ〕）の場合に用いられる。

混合比テーブル１２４−１は、図７のＡに示すように、負荷１８の消費電力〔ｋＷ〕に対応するスロットル位置およびニードル位置が格納されている。混合比テーブル１２４−２にも、図７のＢに示すように負荷１８の消費電力〔ｋＷ〕に対応するスロットル位置およびニードル位置が格納されている。これら混合比テーブル１２４−１、１２４−２はＥＥＰＲＯＭ８８（図４）や、プロセッサ８６に内蔵されているFLASHメモリ（図示せず）などに格納されている。

混合比テーブル１２４−１の各値は実測混合比テーブル１２６−１（図８のＡ）、混合比テーブル１２４−２の各値は実測混合比テーブル１２６−２（図９のＡ）から求められている。混合比テーブル１２４−１、１２４−２における各スロットル位置は、実測混合比テーブル１２６−１、１２６−２のスロットル位置から負荷１８の消費電力＝０の場合のスロットル位置の値を減算したものである。

＜外乱オブザーバ１２２の処理＞

混合比テーブル１２４−１、１２４−２を用いた外乱オブザーバ１２２では次のような処理を行う。

発電出力の周波数ｆがｆ＝５０〔Ｈｚ〕であれば目標回転数Ｎｆ＝１５００〔ｒｐｍ〕である混合比テーブル１２４−１が選択される。また、発電出力の周波数ｆがｆ＝６０〔Ｈｚ〕であれば目標回転数Ｎｆ＝１８００〔ｒｐｍ〕である混合比テーブル１２４−２が選択される。

この例では、目標回転数Ｎｆ＝１５００〔ｒｐｍ〕、１８００〔ｒｐｍ〕を例示したが、これ以外であれば、その周波数設定に従えばよい。

負荷１８の消費電力を観測し、たとえば、混合比テーブル１２４−１からニードル位置およびスロットル位置を検索する。この検索により求められたニードル位置に、混合比調整数を足し、ニードル位置を調整する。負荷１８の消費電力の値について、各値の中間値はその前後値から直線補完をして算出すればよい。

スロットル位置はＰＩＤ制御にて自動的に調整される。このような調整形態をとれば、緩やかで好ましい応答性が得られる。つまり、ＰＩＤ制御出力はバラツキ吸収に用いられており、ＰＩＤ制御出力＝０が望ましい。この場合、ＦＦ値や外乱ロバスト制御を重視し、Ｐ制御は小さく、Ｉ制御も弱く入れればよい。

＜混合比テーブル１２４−１、１２４−２の作成処理＞

混合比テーブル１２４−１、１２４−２の各値はガスエンジン発電機２を起動し、その実測値から実測混合比テーブル１２６−１（図８のＡ）、１２６−２（図９のＡ）を作成して求める。

図８のＡは、ｆ＝５０〔Ｈｚ〕、Ｎｆ＝１５００〔ｒｐｍ〕の場合の実測混合比テーブル１２６−１を示している。

この実測混合比テーブル１２６−１は、エンジン４を起動し、負荷１８の消費電力の値を変化させ、効率ηが最もよい値となるスロットル位置、ニードル位置および混合比λを求め、作成する。

これらの値をグラフにすると、図８のＢに示すように、出力〔ｋＷ〕に対して一様な効率を得るためには、直線的な変化ではなく、不規則な値となることが分かる。したがって、これら実測値からエンジン回転数が不安定にならない範囲で効率ηの良い値となるスロットル位置およびニードル位置を求め、図７のＡに示す混合比テーブル１２４−１を作成する。

図９のＡは、ｆ＝６０〔Ｈｚ〕、Ｎｆ＝１８００〔ｒｐｍ〕の場合の実測混合比テーブル１２６−２を示している。

この実測混合比テーブル１２６−２は同様にエンジン４を起動し、負荷１８の消費電力の値を変化させ、効率ηが最もよい値となるスロットル位置、ニードル位置および混合比λを求め、作成する。

これらの値をグラフにすると、図９のＢに示すように、出力〔ｋＷ〕に対して一様な効率を得るためには、直線的な変化ではなく、不規則な値となることは図８のＢと同様である。しかしながら、図９のＢと図８のＢの比較から明らかなように、混合比λの値は目標回転数Ｎｆが異なると、全く異なる態様となっている。したがって、これら実測値からエンジン回転数が不安定にならない範囲で効率ηの良い値となるスロットル位置およびニードル位置を求め、図７のＢに示す混合比テーブル１２４−２を作成する。

これら実測混合比テーブル１２６−１、１２６−２において、負荷＝０の欄の値を比較すれば、目標回転数Ｎｆとスロットル位置とは比例関係にないことが分かる。目標回転数Ｎｆが高ければ、エンジン４の負圧が大きくなり、スロットルを絞っても空気量が大きくなり、スロットル位置と回転数の関係が直線的にはならない。

＜エンジン制御の処理手順＞

図１０は、エンジン制御の処理手順を示している。この処理手順は、本発明のガスエンジン発電機の制御プログラム、その制御方法の一例である。

この処理手順では、ＦＦ値に無負荷時のスロットル位置およびニードル位置を設定し、エンジン４を起動する（Ｓ２０１）。

エンジン４の起動後、負荷１８の消費電力を検出する（Ｓ２０２）。この消費電力の検出は、負荷１８の印加電圧および負荷電流を測定し、演算すればよい。

この消費電力の検出の後、その値を用いて混合比テーブル１２４−１（または混合比テーブル１２４−２）を参照し、負荷１８の消費電力に対応したスロットル位置およびニードル位置を取得する（Ｓ２０３）。

混合比テーブル１２４−１（または混合比テーブル１２４−２）から取得したスロットル位置およびニードル位置にミキサー２８のスロットル位置およびニードル位置を更新する（Ｓ２０４）。

そして、エンジン４の回転数Ｎを検出し（Ｓ２０５）、この回転数Ｎと目標回転数Ｎｆを用いて回転数Ｎを補正する（Ｓ２０６）。以下、同様にＳ２０２〜Ｓ２０６の処理をエンジン４の回転が維持されている限り、継続して実行する。これにより、回転数Ｎを目標回転数Ｎｆに制御することができる。

＜実施例の効果＞

上記実施例によれば、上記一実施の形態の効果に加え、次のような効果が得られる。

(1) 目標回転数Ｎｆが得られる無負荷時のスロットル位置およびニードル位置をミキサー２８に設定し、目標回転数Ｎｆで起動するので、エンジン回転数を迅速に目標回転数に到達させることができる。この場合、無負荷時のスロットル位置およびニードル位置は、混合比テーブル１２４−１または混合比テーブル１２４−２を参照すればよい。

(2) 負荷１８の消費電力の増減に即応してエンジン回転数を混合比テーブル１２４−１または混合比テーブル１２４−２から求めたスロットル位置およびニードル位置にミキサー２８の設定値を更新するので、迅速なエンジン回転の制御を行うことができる。

(3) 負荷１８の消費電力の増減に応じて発電機８の出力を追従させて負荷１８側の増減変化を吸収でき、負荷１８に対して安定した発電出力を提供できる。

(4) 予めスロットル位置およびニードル位置の値を最も効率の良い値に設定でき、効率的なエンジン制御および回転制御を行うことができる。

(5) 種々の系統周波数に対応させることができ、制御性の高いエンジン制御を実現することができる。

(6) 消費電力に対応する値が混合比テーブル１２４−１または混合比テーブル１２４−２にない場合には、消費電力に近い値を挟んで最も近い２つの値を選択し、これらの値から補完演算を行えば、混合比テーブル１２４−１または混合比テーブル１２４−２の不足を迅速に補充でき、安定したエンジン制御を実現することができる。

〔他の実施の形態〕

ａ．上記実施の形態では、ガスエンジン発電機を例示したが、ガスエンジンの制御に発電機を利用してエンジンの回転制御を行うことができ、本発明は、上記実施例に限定されるものではない。
ｂ．上記実施の形態では、電圧および電流を測定して消費電力を検出しているが、負荷電流のみを用いて消費電力としてもよい。

以上説明したように、本発明の最も好ましい実施形態等について説明した。本発明は、上記記載に限定されるものではない。特許請求の範囲に記載され、または明細書に開示された発明の要旨に基づき、当業者において様々な変形や変更が可能である。斯かる変形や変更が、本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。

本発明は、燃料ガスを用いるガスエンジン発電機のエンジン制御を効率的に行うことができ、負荷の消費電力を利用し、この消費電力に対応する混合気ミキサーのスロットル位置およびニードル位置を情報テーブル化して利用するので、迅速な応答性を実現でき、有用である。

２ ガスエンジン発電機
４ エンジン
６ 混合気調整手段
８ 発電機
１０ 検出手段
１２ 情報テーブル
１４ 制御手段
１６ 系統電源
１８ 負荷
２０ 筐体
２１ バッテリー
２２ 制御ボックス
２４ 吸気部
２６ 排気部
２８ ミキサー
３０ スタータ
３２ 点火部
３４ クーラント部
３６−１、３６−２、３６−３ スパークプラグ
３８ イグナイタ
４０−１、４０−２、４０−３ 点火コイル
４２ ウォーターポンプ
４４ ラジエータ
４６ ラジエータファン
４８−１ 温度センサー
４８−２ 速度センサー
４８−３ カムポジションセンサー
４８−４ 油圧スイッチ
５０ 燃料供給部
５２ 供給路
５４−１、５４−２ 電磁弁
５６ ガスレギュレータ
５８ ミキサー駆動部
６０ ＡＶＲ
６２ ＥＣＵ
６４ ＡＴＳ
６６ 操作パネル
６８ 商用電源
７０ サージボックス
７２ 電磁接触器
７４ 漏電ブレーカ
７６ マフラ
７８ エンジンＡＳＳＹ
８０ イグナイタ制御部
８２ スロットルモータ
８４ ニードルモータ
８６ プロセッサ
８８ ＥＥＰＲＯＭ
９０ ＲＡＭ
９２ Ｉ／Ｏ
９４ 電流測定回路
９４−１、９４−２ カレントトランス
９６ 電圧測定回路
９８ 給電線
１００ 表示部
１０２ 運転スイッチ
１０４ 非常停止スイッチ
１０６ 吸気路
１０８ スロットルバルブ
１１０ 回転機構
１１２ 燃料供給路
１１４ ニードル
１１６ 進退機構
１１８ 噴出口部
１２０−１、１２０−２、１２０−３、１２０−４ 加算器
１２２ 外乱オブザーバ
１２４−１、１２４−２ 混合比テーブル
１２６−１、１２６−２ 実測混合比テーブル

Claims (6)

1. 所定周波数に対応するエンジン回転数に制御されるガスエンジン発電機であって、
   燃料ガスを含む混合気を生成し、該混合気中の前記燃料ガスの混合比、エンジンに供給する混合気量を調整する混合気調整手段と、
   発電出力を受ける負荷の消費電力を検出する検出手段と、
   発電出力の周波数に応じて決定される目標回転数毎に作成され、該目標回転数毎に前記消費電力に対応した少なくとも前記混合気量および前記混合比を格納した情報テーブルと、
   設定周波数に対応する目標回転数に必要な混合気量および混合比を前記混合気調整手段に設定してエンジンを駆動し、前記設定周波数に対応する目標回転数に応じて選択された前記情報テーブルを参照して前記消費電力に対応する前記混合気量および前記混合比に更新し、前記エンジンを前記目標回転数に制御する制御手段と、
   を備えることを特徴とするガスエンジン発電機。
2. 所定周波数に対応するエンジン回転数に制御されるガスエンジン発電機であって、
   燃料ガスを含む混合気を生成し、該混合気中の前記燃料ガスの混合比、エンジンに供給する混合気量を調整する混合気調整手段と、
   発電出力を受ける負荷の消費電力を検出する検出手段と、
   目標回転数毎に前記消費電力に対応した少なくとも前記混合気量および前記混合比を格納した情報テーブルと、
   起動時、無負荷時の目標回転数に必要な混合気量および混合比を前記混合気調整手段に設定してエンジンを駆動し、該エンジンの起動後、前記情報テーブルから前記検出手段で検出される前記消費電力に対応する混合気量および混合比を求め、または、該混合気量および該混合比を補完した混合気量および混合比を求め、前記混合気調整手段に設定される前記混合気量および前記混合比を更新し、前記エンジンを前記目標回転数に制御する制御手段と、
   を備えることを特徴とするガスエンジン発電機。
3. 所定周波数に対応するエンジン回転数に制御されるガスエンジン発電機であって、
   燃料ガスを含む混合気を生成し、該混合気中の前記燃料ガスの混合比、エンジンに供給する混合気量を調整する混合気調整手段と、
   発電出力を受ける負荷の消費電力を検出する検出手段と、
   目標回転数毎に前記消費電力に対応した少なくとも前記混合気量および前記混合比と、
   前記混合気量および前記混合比で得られる効率とを格納した情報テーブルと、
   目標回転数に必要な混合気量および混合比を前記混合気調整手段に設定してエンジンを駆動し、前記情報テーブルを参照して前記効率に応じて前記消費電力に対応する前記混合気量および前記混合比を選択し、該選択した前記混合気量および前記混合比に更新し、前記エンジンを前記目標回転数に制御する制御手段と、
   を備えることを特徴とするガスエンジン発電機。
4. 所定周波数に対応するエンジン回転数に制御されるガスエンジン発電機に搭載したコンピュータに実行させるための制御プログラムであって、
   燃料ガスを含む混合気を生成し且つ該混合気中の前記燃料ガスの混合比、エンジンに供給する混合気量を調整する混合気調整手段に対し、設定周波数に対応する目標回転数に必要な混合気量および混合比を設定してエンジンを駆動し、発電出力の周波数に応じて決定される目標回転数毎に作成され、且つ前記混合気調整手段に設定される少なくとも前記混合気量および前記混合比を発電出力を受ける負荷から検出された消費電力に対応させて格納した情報テーブルから、前記設定周波数に対応する目標回転数に応じて選択された前記情報テーブルを参照し、前記消費電力に対応する前記混合気量および前記混合比に更新し、前記エンジンを前記目標回転数に制御する
   機能を前記コンピュータで実現するためのガスエンジン発電機の制御プログラム。
5. 系統電源周波数に対応するエンジン回転数に制御されるガスエンジン発電機に搭載したコンピュータに実行させるための制御プログラムの実行に用いられる記録媒体であって、
   燃料ガスを含む混合気を生成し該混合気中の前記燃料ガスの混合比、エンジンに供給する混合気量を調整する混合気調整手段に設定される少なくとも前記混合気量および前記混合比を負荷の消費電力に対応させて格納する情報テーブルが、発電出力の周波数に応じて決定される目標回転数毎に作成されて記録されたことを特徴とする記録媒体。
6. 所定周波数に対応するエンジン回転数に制御されるガスエンジン発電機の制御方法であって、
   発電出力を受ける負荷の消費電力を検出する工程と、
   燃料ガスを含む混合気を生成し且つ該混合気中の前記燃料ガスの混合比、エンジンに供給する混合気量を調整する混合気調整手段に対し、設定周波数に対応する目標回転数に必要な混合気量および混合比を設定してエンジンを駆動し、発電出力の周波数に応じて決定される目標回転数毎に作成され、且つ前記混合気調整手段に設定される少なくとも前記混合気量および前記混合比を前記消費電力に対応させて格納した情報テーブルから、前記設定周波数に対応する目標回転数に応じて選択された前記情報テーブルを参照し、前記消費電力に対応する前記混合気量および前記混合比に更新し、前記エンジンを前記目標回転数に制御する工程と、
   を含むことを特徴とするガスエンジン発電機の制御方法。
   

Images