JPH0868360A

JPH0868360A - 希薄燃焼ガスエンジンの運転制御方法及び装置

Info

Publication number: JPH0868360A
Application number: JP6204874A
Authority: JP
Inventors: Kenji Nakagawa; 健司中川
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 1994-08-30
Filing date: 1994-08-30
Publication date: 1996-03-12

Abstract

(57)【要約】【目的】設定回転数の変更を伴う負荷変動時において
も、制御の安定を維持することが出来る様な希薄燃焼ガ
スエンジンの運転制御方法及び装置の提供。【構成】設定回転数の変更を伴う様な負荷変動が発生
したことを負荷変動検出手段（１０、１２）を用いて検
出し（ステップＳ２）、設定回転数出力手段（２４）か
ら変動後の負荷に対応する次回設定回転数を読み込み
（ステップＳ３）、空燃比制御手段（８）によって次回
設定回転数に対応した所定の範囲内（図３のＴ、Ｄ間の
領域）で空燃比をリッチ側に変動する（ステップＳ４、
Ｓ５）。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はガスエンジン、特に希薄
燃焼ガスエンジンの運転制御に関する。より詳細には、
ガスヒートポンプ（以下「ＧＨＰ」と表記する）用希薄
燃焼ガスエンジンの負荷が変動した際における運転制御
の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】この様なＧＨＰ用希薄燃焼ガスエンジン
の運転制御システムは、従来、図１０で示す様な構成と
なっていた。図１０において、従来のガスエンジンの運
転制御システムは、燃料であるガスを供給するためのガ
ス供給通路１と、空気を供給するための空気供給通路２
と、通路１、２の合流点においてガスと空気とを混合す
るミキサ３と、ガス供給通路１から分岐してミキサ３を
バイパスするバイパス通路４と、該バイパス通路４に介
装されたバイパス弁５と、ガスと空気との混合気をガス
エンジンＥに供給する通路６に介装されたスロットル７
と、バイパス弁５の開度を制御することにより空燃比を
制御する空燃比制御手段８と、スロットル７の開度を制
御することによりガスエンジンＥの回転数を制御する回
転数制御手段９、とを有している。そして、空燃比制御
手段８により空燃比制御系が構成され、回転数制御手段
９により回転数制御系が構成されている。ここで、本明
細書においては、回転数制御なる文言は速度制御と略々
同じ意味を有する文言として用いられている。

【０００３】図１０で示す様な運転制御システムにおい
て、設定回転数の変更を伴う負荷変動が生じる場合に、
例えば、当該負荷変動の直前で速度制御を一時停止し、
速度制御が停止している間に空燃比制御系側で空燃比を
リッチ側に変更して安全領域まで変動せしめ、その後に
速度制御を再開させる、という運転制御が提案されてい
た。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、安全領域の空
燃比は個々のガスエンジンの特性、上述した様な負荷変
動が生じた場合におけるガスエンジンの設定回転数等の
運転状況、その他の種々の条件により変動するものであ
り、画一的に求められるものではない。換言すれば、従
来は安全領域の空燃比は正確に把握することが出来なか
った。そのため、設定回転数の変更を伴う負荷変動が生
じた場合には、安全サイドに制御を行い過ぎて、ガスリ
ッチ側に行き過ぎてしまう傾向が存在し、希薄燃焼ガス
エンジンを用いる意味が無くなってしまうことが多かっ
た。そして、この様な問題は、負荷変動或いは速度変動
が頻繁に生じるＧＨＰ用ガスエンジンにおいて、特に顕
著である。

【０００５】すなわち、従来の技術では、設定回転数の
変更を伴う負荷変動が生じた場合に適格な運転制御或い
は緊急退避の方法が確立されておらず、それに伴う諸問
題が未解決であった。

【０００６】本発明は、上記した従来技術の問題点に鑑
みて提案されたもので、設定回転数の変更を伴う負荷変
動が生じた場合に負荷変動時においても、適格な緊急退
避が為される様な希薄燃焼ガスエンジンの運転制御方法
及び装置の提供を目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の希薄燃焼ガスエ
ンジンの運転制御方法は、ガス供給通路と、空気供給通
路と、ガスと空気とを混合するミキサと、ガスと空気と
の混合気をガスエンジンに供給する通路に介装されたス
ロットルと、混合気の空燃比を制御する空燃比制御手段
と、スロットルの開度を制御することによりガスエンジ
ン回転数を制御する回転数制御手段、とを有する希薄燃
焼ガスエンジンの運転制御方法において、設定回転数の
変更を伴う負荷変動が生じたか否かを判断する工程と、
負荷変動後の設定回転数（或いは「次回設定回転数）を
読み込む工程と、負荷変動後の設定回転数に対応した所
定の範囲内で空燃比をリッチ側に変動するべく空燃比制
御手段を作動する空燃比制御工程、とを含んでいる。

【０００８】また、本発明の希薄燃焼ガスエンジンの運
転制御装置は、ガス供給通路と、空気供給通路と、ガス
と空気とを混合するミキサと、ガスと空気との混合気を
ガスエンジンに供給する通路に介装されたスロットル
と、混合気の空燃比を制御する空燃比制御手段と、スロ
ットルの開度を制御することによりガスエンジン回転数
を制御する回転数制御手段、とを有する希薄燃焼ガスエ
ンジンの運転制御装置において、負荷変動を検出する負
荷変動検出手段と、該負荷変動が設定回転数の変動を伴
う場合に負荷変動後の設定回転数（或いは「次回設定回
転数）を出力する設定回転数出力手段、とを含み、前記
空燃比制御手段は、負荷変動後の設定回転数に対応した
所定の範囲内で空燃比をリッチ側に変動する様に制御し
ている。

【０００９】ここで、前記「負荷変動後の設定回転数に
対応した所定の範囲」は、個々のガスエンジン毎に実験
的に決定されるものである。具体的な決定の態様につい
ては、実施例の欄で後述する。

【００１０】本発明の実施に際して、ガスエンジンの回
転数変動に基づいて制御（回転数による制御）を行うこ
とが出来るが、それに限定されるものではない。例え
ば、ガスエンジンの燃焼圧による制御、プラグの電圧に
よる制御、排ガス中の酸素濃度による制御等、種々の制
御が適用可能である。

【００１１】この様な本発明の希薄燃焼ガスエンジンの
運転制御を行う際に、空燃比制御としては、例えば本出
願人が先に出願した特願平５−３０６３１８号で開示す
る様な制御手法が好ましい。この制御は回転数の変動量
により空燃比の制御を行うものである。すなわち、ガス
エンジンの回転数を検出し、検出された回転数から回転
変動量を演算して該回転変動量が目標範囲内にあるか否
かを判定し、回転変動量が目標範囲内にある場合には空
燃比をガスリーン側に制御し、回転変動量が目標範囲外
であればガスリッチ側に制御するものである。なお、こ
の制御の詳細についても、後述する。

【００１２】

【作用】上述した様な構成を具備する本発明によれば、
例えばＧＨＰ用の希薄燃焼ガスエンジンの運転制御に際
して、設定回転数の変更を伴う様な負荷変動が発生した
ことを負荷変動検出手段を用いて検出した場合に、設定
回転数出力手段から変動後の負荷に対応する次回設定回
転数を読み込み、空燃比制御手段によって次回設定回転
数に対応した所定の範囲内で空燃比をリッチ側に変動す
る。ここで、次回設定回転数に対応した所定の範囲は、
個々のガスエンジン毎に実験的に定められており（詳細
は後述する）、画一的に設定されたものでは無い。そし
て、その範囲内に空燃比を変動すれば安全領域に到達出
来るため、希薄限界（或いは失火限界）を越えてしまう
恐れが無い。しかも、従来の様に必要以上にリッチ側へ
変動してしまうことも防止される。

【００１３】

【実施例】次に、添付図面を参照して、本発明の実施例
を説明する。なお、図１０で示す従来のシステムにおい
て用いられいるのと同一の部材については、同一の符号
を付して重複説明は省略する。

【００１４】図１において、全体を２０で示すＧＨＰ用
の希薄燃焼ガスエンジンの運転制御システムは、燃料で
あるガスを供給するためのガス供給通路１と、空気を供
給するための空気供給通路２と、通路１、２の合流点に
おいてガスと空気とを混合するミキサ３と、ガス供給通
路１から分岐してミキサ３をバイパスするバイパス通路
４と、該バイパス通路４に介装されたバイパス弁５と、
ガスと空気との混合気をガスエンジンＥに供給する通路
６に介装されたスロットル７と、バイパス弁５の開度を
制御することにより空燃比を制御する空燃比制御手段８
と、スロットル７の開度を制御することによりガスエン
ジンＥの回転数を制御する回転数制御手段９と、設定回
転数記憶手段２４、とを含んでいる。

【００１５】ガスエンジンＥには回転数センサ１０が設
けられており、その出力は信号伝達ラインＳＬ１を介し
て回転数制御手段９に送出されると共に、信号伝達ライ
ンＳＬ２を介して空燃比制御手段８へ送られる。回転数
制御手段９では回転数センサ１０の検出信号に基づいて
スロットル７の開度を決定し、且つ、信号伝達ラインＳ
Ｌ３を介してスロットル７の開度制御信号を送出し、回
転数制御を行う。

【００１６】一方、空燃比制御手段８では、回転数セン
サ１０の検出結果と設定回転数記憶手段２４から信号伝
達ラインＳＬ４を介して伝達される設定回転数との差
（回転数変動量）に基づいて、特願平５−３０６３１８
号で開示する様な手法（詳細は後述する）により、空燃
比及び対応するバイパス弁５の開度を決定する。決定さ
れたバイパス弁開度は信号伝達ラインＳＬ５を介してバ
イパス弁５に対して出力される。

【００１７】再び図１において、ガスエンジンＥには負
荷センサ１２（図１では回転数センサ１０と同一の部材
を示している）が設けられており、その出力は信号伝達
ラインＳＬ１を介して回転数制御手段に伝達されると共
に、信号伝達ラインＳＬ２を介して空燃比制御手段８へ
伝達される。

【００１８】なお、明確には図示されていないが、設定
回転数記憶手段２４は信号伝達ラインＳＬ６を介して伝
達されるエンジン内の（現在の）燃焼温度と目標温度と
の偏差等からエンジンの設定回転数を求めるものであ
り、制御ＲＯＭ等により構成されている。

【００１９】次に図２〜４をも参照して、上述した実施
例の作用を説明する。

【００２０】制御における回転数−空燃比特性は、各ガ
スエンジン（ＧＨＰ用希薄燃焼ガスエンジンを含む）に
おいて一義的に求まり、例えば図２で示す様な特性を示
す。図２において、負荷の変動により、設定回転数をＮ
_AからＮ_Bまで減少させる必要がある場合と、設定回転
数をＮ_CからＮ_Dまで上昇させる必要がある場合、とが
示されている。

【００２１】図１において、負荷センサ１２が負荷変動
の発生を検出すると（図４：ステップＳ２がＹＥＳ）、
それぞれ信号伝達ラインＳＬ１、ＳＬ２を介して、負荷
変動の発生が制御手段８、９に伝達される。そして、制
御手段８、９においては、負荷変動の発生を伝達する信
号に応答して、設定回転数の変更が必要であると判断す
る。なお、信号が負荷変動が発生しなければ（ステップ
Ｓ２でＮＯ）、通常の回転数制御或いは空燃比制御を行
う（ステップＳ１）。

【００２２】負荷変動の発生が検出され、設定回転数の
変更が必要であると判断された場合には（図４：ステッ
プＳ２がＹＥＳ）、設定回転数記憶手段２４から変動後
の負荷に対応する設定回転数（次回設定回転数）が制御
手段８、９へ出力される（ステップＳ３）。次回設定回
転数が入力された空燃比制御手段８では、図３で示す様
な特性に基づいて、次回設定回転数に対応したバイパス
弁５の開度を決定する（ステップＳ４）。

【００２３】ここで、次回設定回転数に対応したバイパ
ス弁開度は、図３において符号ＥＳ１、ＥＳ２、ＥＳ３
のいずれかで示す関数に従って、決定すれば良い。ここ
で、バイパス弁開度を決定する関数は、符号Ｔで示す直
線と符号Ｄで示す直線とによって囲まれた範囲（図３に
おいてハッチングで示す範囲）に包含される関数であれ
ば、全て適用可能である。直線Ｔ及びＤの決定方法につ
いては後述する。そして、関数ＥＳ１は上記範囲の全領
域において連続する関数であり、関数ＥＳ２は段階的に
変化する関数であり、ＥＳ３は境界線（図３では直線
Ｔ、或いは直線Ｄでも可）に一致する関数である。

【００２４】ステップＳ４において弁開度が決定した
ら、当該弁開度信号は信号伝達ラインＳＬ５を介してバ
イパス弁５に出力される（ステップＳ５）。この段階
で、図２における状態Ａから状態Ｅに変化するか、或い
は状態Ｃから状態Ｆまで変化している。バイパス弁開度
が調節された後、所定時間だけ待機する（ステップＳ
６）。そして、その後の回転数制御により図２における
状態Ｅから状態Ｂに変化し、或いは状態Ｆから状態Ｄに
変化するのである。その後は、制御終了か否かを判断す
る（ステップＳ７）。

【００２５】次に、図３で示す範囲を特定する態様につ
いて、図３、図５−８を参照して説明する。

【００２６】上述した様に、「次回設定回転数に対応し
たバイパス弁開度」を決定するためには、図３において
ハッチングで示す範囲、すなわち直線Ｔ及びＤで挟まれ
た領域を決定する必要がある。この直線Ｔ及びＤは、各
ガスエンジン毎に実験的に決定されるものであり、複数
の設定回転数におけるバイパス弁５の、それぞれの弁開
度下限値Ｔ（Ｎｉ）と上限値Ｄ（Ｎｉ）とを求め、同一
の特性図上に複数個の当該下限値Ｔ（Ｎｉ）と上限値Ｄ
（Ｎｉ）とをプロットすることにより、決定される。以
下に、その詳細を説明する。

【００２７】上記弁開度下限値Ｔ（Ｎｉ）と上限値Ｄ
（Ｎｉ）との決定方法は、図示の実施例では３通り示さ
れている。第１の方法は図５で示されており、希薄限界
（失火限界）における空燃比、或いはスロットル全開時
の空燃比（Ｗ．Ｏ．Ｔ．限界時空燃比）λ_Liを用いて求
める方法である。

【００２８】図５において、或る設定回転数Ｎｉにおけ
る空燃比−バイパス弁開度特性が直線Ｆ−Ｆ´で示され
ている。そして、希薄限界（失火限界）における空燃
比、或いはスロットル全開時の空燃比（Ｗ．Ｏ．Ｔ．限
界時空燃比）λ_Liが縦軸（空燃比を示す）上の符号Ａで
示されており、空燃比λ_Liの０．９倍の空燃比が符号
Ｂ、空燃比λ_Liの０．８倍が符号Ｃでそれぞれ示されて
いる。そして、上記特性Ｆ−Ｆ´における符号Ｂの数値
に対応する横軸（バイパス弁開度を示す）の数値が上記
弁開度下限値Ｔ（Ｎｉ）となり、符号Ｃに対応する数値
が上記弁開度上限値Ｄ（Ｎｉ）となる。この様にして、
それぞれ異なる複数の設定回転数における弁開度上限値
及び下限値を求め、該複数の弁開度上限値及び下限値を
図８で示す様に同一の設定回転数−バイパス弁開度特性
図にプロットし、さらに、下限値を連続すれば図３の直
線Ｔが求まり、上限値を連続すれば直線Ｄが求まるので
ある。

【００２９】ここで、バイパス弁開度下限値Ｔ（Ｎｉ）
を上記空燃比λ_Liの０．９倍に対応して求めたのは、こ
れよりもリーン側にすると失火限界に近接するため、制
御に余裕が無くなるからである。また、バイパス弁開度
上限値Ｄ（Ｎｉ）を上記空燃比λ_Liの０．８倍に対応し
て求めたのは、これ以上リッチにすると、希薄燃焼タイ
プのガスエンジンにする意味が無くなるからである。

【００３０】直線Ｔ、Ｄを決定する第２の方法は、回転
数変動振幅を使う方法であり、図６で示されている。図
６は、或る設定回転数Ｎｉで、運転最大トルク時にスロ
ットル固定の状態におけるガスエンジン回転数変動量の
振幅（ｒｐｍ：縦軸）と、バイパス弁開度（横軸）との
特性図を示している。ここで、曲線Ｆ−Ｆ´は測定中の
ガスエンジンの上記回転数変動量振幅−バイパス弁開度
特性を示している。

【００３１】図６において、上記振幅が±１０ｒｐｍに
対応する横軸の弁開度がバイパス弁開度下限値Ｔ（Ｎ
ｉ）となり、±５ｒｐｍに対応する横軸の数値がバイパ
ス弁開度上限値Ｄ（Ｎｉ）となる。同様な手法で、複数
の異なる設定回転数毎にバイパス弁開度下限値Ｔ（Ｎ
ｉ）と弁開度上限値Ｄ（Ｎｉ）とを求め、該複数の値を
図８で示す様にプロットして連続させれば、直線Ｔ及び
Ｄが決定される。ここで、バイパス弁開度下限値Ｔ（Ｎ
ｉ）を上記振幅の±１０ｒｐｍに対応して求めたのは、
回転数変動振幅がこれ以上大きいとガスエンジンの運転
が不安定になるからである。また、バイパス弁開度上限
値Ｄ（Ｎｉ）を上記振幅の±５ｒｐｍに対応して求めた
のは、これより振幅が小さい領域におさえこもうとする
と空燃比がリッチになり過ぎてしまうので、希薄燃焼タ
イプのガスエンジンにする意味が無くなるためである。

【００３２】直線Ｔ、Ｄを決定する第２の方法は図７に
示されており、図６で示す方法と類似している。すなわ
ち、図６では回転数変動量振幅を用いたが、図７では図
示平均有効圧変動量を用いている。図７において、或る
設定回転数Ｎｉにおける図示平均有効圧変動量（縦軸）
の±４％に対応するバイパス弁開度（横軸）がバイパス
弁開度下限値Ｔ（Ｎｉ）となり、±２％に対応する横軸
の数値がバイパス弁開度上限値Ｄ（Ｎｉ）となる。そし
て、複数の異なる設定回転数毎にバイパス弁開度下限値
Ｔ（Ｎｉ）と弁開度上限値Ｄ（Ｎｉ）とを求め、図８で
示す様にプロットして連続させて直線Ｔ及びＤを決定す
る。なお、弁開度下限値Ｔ（Ｎｉ）を上記変動量の±４
％に対応して求めたのは、これ以上ではガスエンジンの
運転が不安定になるからであり、上限値Ｄ（Ｎｉ）を±
２％に対応して求めたのは、これよりも小さいと空燃比
がリッチになり過ぎて、希薄燃焼タイプのガスエンジン
にする意味が無くなるからである。

【００３３】次に、前述した特願平５−３０６３１８号
で開示する様な制御手法（ステップＳ１３における制
御）について、図９を参照しつつ説明する。この制御
は、回転変動量が目標値以内であればガスリーンの状態
にステップする制御である。図９において、先ず、決定
された回転変動許容値を読み込み（ステップＳ２０）、
回転変動値を読み込む（ステップＳ２１）。そして、回
転変動値が回転変動目標値の範囲内に入っているかいな
いかを判断する（ステップＳ２２）。そして、回転変動
値が回転変動目標値の範囲内に入っている場合は（ステ
ップＳ２２がＹＥＳ）、制御をよりリーン側にして窒素
酸化物濃度がより低減する様に、バイパス弁５を制御し
て、その開度をガスリーン側にステップさせる。そのた
め、バイパス弁５の開度を調節するステッピングモータ
（図示せず）のステップ位置を算出し（ステップＳ２
３）、ステップ速度を算出し（ステップＳ２４）、その
後にリーン側へステップするのである（ステップＳ２５
及びＳ２６）。

【００３４】一方、回転変動値が回転変動目標値の範囲
を越えている場合（ステップＳ２２がＮＯ）は、空燃比
を高くし過ぎて回転数変動が多少増大したものと判断す
る。そして、空燃比を低くして制御をリッチ側にするべ
く必要な処理が為される。すなわち、ステップ位置を算
出し（ステップＳ２７）、ステップ速度を算出し（ステ
ップＳ２８）、その後にリッチ側へステップするのであ
る（ステップＳ２９及びＳ３０）。

【００３５】ステップＳ２２の判定結果に基づいて必要
な処理が行われた後、制御は最初の段階に戻される（ス
テップＳ３１）。

【００３６】なお、以上の実施例はあくまでも例示であ
り、本発明の技術的範囲を限定する趣旨のものではない
事を付記する。

【００３７】

【発明の効果】以上説明した様に、本発明によれば、ガ
スエンジンで速度変動或いは負荷変動が発生し、それが
設定回転数の変更を伴うものであれば、空燃比をリッチ
側に制御して次回設定回転数に対応した範囲内に変動す
るので、制御が希薄限界を越えてしまいガスエンジンが
失火することは完全に防止される。また、制御を必要以
上にリッチに動かして、希薄燃焼タイプのガスエンジン
でありながらＮＯｘ量が異常に増加することも防止され
る。

【００３８】さらに、次回設定回転数に対応した範囲は
個々のガスエンジン毎に実験的に求められるため、極め
て正確である。しかも、当該範囲内に空燃比を収めれば
良いので、正確な制御でありながら制御操作が極めて簡
単である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施例を示すブロック図。

【図２】制御ラインの特性の一例を示す図。

【図３】次回設定回転数−バイパス弁開度特性の１例を
示す図。

【図４】本発明の制御フローチャートを示す図。

【図５】空燃比−バイパス弁開度特性図。

【図６】運転最大トルク時にスロットル固定の状態にお
けるガスエンジン回転数変動量の振幅と、バイパス弁開
度との特性図。

【図７】図示平均有効圧変動量とバイパス弁開度との特
性図。

【図８】図３の直線Ｔ、Ｄを決定する態様を示す、次回
設定回転数とバイパス弁開度との特性を示す図。

【図９】本発明で用いられる空燃比制御フローチャート
の一例を示す図。

【図１０】従来のガスヒートポンプシステムを示す図。

【符号の説明】

２０・・・ＧＨＰ用希薄燃焼ガスエンジンの運転制御シ
ステム１・・・ガス供給通路２・・・空気供給通路３・・・ミキサ４・・・バイパス通路５・・・バイパス弁Ｅ・・・ＧＨＰ用希薄燃焼ガスエンジン７・・・スロットル８・・・空燃比制御手段９・・・回転数制御手段１０・・・回転数センサＳＬ１〜ＳＬ７・・・信号伝達ライン

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ガス供給通路と、空気供給通路と、ガス
と空気とを混合するミキサと、ガスと空気との混合気を
ガスエンジンに供給する通路に介装されたスロットル
と、混合気の空燃比を制御する空燃比制御手段と、スロ
ットルの開度を制御することによりガスエンジン回転数
を制御する回転数制御手段、とを有する希薄燃焼ガスエ
ンジンの運転制御方法において、設定回転数の変更を伴
う負荷変動が生じたか否かを判断する工程と、負荷変動
後の設定回転数を読み込む工程と、負荷変動後の設定回
転数に対応した所定の範囲内で空燃比をリッチ側に変動
するべく空燃比制御手段を作動する空燃比制御工程、と
を含むことを特徴とする希薄燃焼ガスエンジンの運転制
御方法。
【請求項２】ガス供給通路と、空気供給通路と、ガス
と空気とを混合するミキサと、ガスと空気との混合気を
ガスエンジンに供給する通路に介装されたスロットル
と、混合気の空燃比を制御する空燃比制御手段と、スロ
ットルの開度を制御することによりガスエンジン回転数
を制御する回転数制御手段、とを有する希薄燃焼ガスエ
ンジンの運転制御装置において、負荷変動を検出する負
荷変動検出手段と、該負荷変動が設定回転数の変動を伴
う場合に負荷変動後の設定回転数を出力する設定回転数
出力手段、とを含み、前記空燃比制御手段は、負荷変動
後の設定回転数に対応した所定の範囲内で空燃比をリッ
チ側に変動する様に制御することを特徴とする希薄燃焼
ガスエンジンの運転制御装置。