KR102069934B1

KR102069934B1 - 가스 엔진

Info

Publication number: KR102069934B1
Application number: KR1020157034865A
Authority: KR
Inventors: 히로유키 오츠보; 카즈마 키시오
Original assignee: 얀마 가부시키가이샤
Priority date: 2013-06-11
Filing date: 2014-05-28
Publication date: 2020-01-23
Also published as: KR20160018533A; AU2014279325A2; US10612483B2; JP2014240616A; EP3009645A4; CN105308297B; WO2014199829A1; EP3009645A1; CN105308297A; CA2915083A1; AU2014279325A1; JP6128975B2; EP3009645B1; US20160222902A1

Abstract

연료 가스의 조성 변화에 대응해서 공연비 제어를 행할 수 있는 가스 엔진을 제공한다. A/F 밸브(22)와, 솔레노이드 밸브(21)를 구비하고, 솔레노이드 밸브(21)에 의해 퍼터베이션을 행하도록 구성되고, 기준 연료 가스에 의한 특정 엔진 운전 상황에 있어서 솔레노이드 밸브(21)의 개도 및 A/F 밸브(22)의 개도와, 공연비의 관계가 설정된 제어부(10)를 구비하고 있고, 상기 제어부(10)는 엔진의 운전 상황이 일정하다고 간주되는 기간내에 있어서의 실제의 운전시의 솔레노이드 밸브(21)의 개도 평균값(b)이 상기 조건으로 제어부(10)에 설정되어 있는 솔레노이드 밸브(21)의 개도 목표값(a)으로부터 벗어나 있는 경우에 개도 평균값(b)이 개도 목표값(a)이 되도록 A/F 밸브(22)의 개도를 조정하도록 이루어진 가스 엔진(1)이다.

Description

가스 엔진{GAS ENGINE}

본 발명은 연료 가스의 연소 칼로리(이하, 단지 「칼로리」라고 한다.)의 변화에 대응할 수 있는 가스 엔진에 관한 것이다.

일반적으로, 가스 엔진에 있어서의 공연비의 제어는 일정 조성의 연료 가스에 대응하도록 설정되어 있지만, 실제로 공급되고 있는 연료 가스의 조성은 일정하지 않으므로 상기 연료 가스의 칼로리도 일정하지 않게 변화된다.

그래서, 종래부터 연료 가스를 가스 크로마토그래피 등의 가스 조성 측정 장치로 측정하고, 그 측정 결과에 의거하여 공연비를 제어하도록 이루어진 가스 엔진이 제안되어 있다(예를 들면 특허문헌 1 참조).

일본 특허공개 2003-148187호 공보

그러나, 상기 종래의 가스 엔진의 경우, 가스 크로마토그래피 등의 가스 조성 측정 장치는 경시적 사용에 의해 컬럼이 열화되므로 정기적으로 교환하지 않으면 안되고, 코스트나 인건비가 높아지게 된다.

또한 가스 크로마토그래피 등의 가스 조성 측정 장치는 기후의 변화나 컬럼의 열화 등에 의해 검량선이 변화되어 버리므로, 표준 가스를 이용하여 정기적으로 검량선을 다시 만들지 않으면 안되어 취급이 번거롭고, 한란의 차가 심한 장소에서는 사용할 수 없다.

또한, 연료 가스의 조성을 측정해서 측정 결과가 나올 때까지 시간을 필요로 하므로 실린더 헤드에 공급한 연료 가스가 조성을 측정한 연료 가스로는 안되어 어긋남을 발생하게 된다. 그 때문에 연료 가스의 공급 경로를 연구해서 측정 결과가 나온 연료 가스를 실린더 헤드로 보내는 것도 고려되지만, 이 경우, 장치가 복잡화된다.

본 발명은 이러한 실정을 감안하여 이루어진 것으로서, 연료 가스의 칼로리의 변화에 대응해서 공연비 제어를 행할 수 있는 가스 엔진을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

삭제

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 가스 엔진은, 제 2 밸브보다 응답성이 낮고 연료 유량 조정폭이 큰 제 1 밸브와, 제 1 밸브보다 응답성이 높고 연료 유량 조정폭이 작은 제 2 밸브를 구비하고, 제 1 밸브를 소정의 개도로 개방된 상태에서 제 2 밸브를 소정의 개도로부터 린측 및 리치측으로 변동시켜서 상기 제 2 밸브에 의한 퍼터베이션을 행하도록 구성된 제어부를 구비하고 있고, 상기 제어부는 엔진의 운전 상황이 일정하다고 간주되는 기간내에 있어서의 실제의 운전시의 제 2 밸브의 개도 평균값이 상기 조건으로 제어부에 설정되어 있는 제 2 밸브의 개도 목표값으로부터 벗어나 있는 경우에, 개도 평균값이 개도 목표값이 되도록 제 1 밸브의 개도를 조정함에 있어서 배기 경로의 매체 상류측에 설치된 산소센서로부터의 신호가 세트 포인트를 통과하는 위치에서 검출되는 개도에 의거하여 실제의 운전시의 제 2 밸브에 의한 퍼터베이션 제어에 있어서의 최대 개도와 최소 개도를 추출해서 개도 평균값을 산출하도록 이루어진 것이다.

상기 가스 엔진에 있어서, 제어부는 폭을 갖게 한 개도 목표값에 수렴되도록 제 1 밸브의 개도를 조정하도록 이루어진 것이어도 좋다.

상기 가스 엔진에 있어서, 제 1 밸브 및 제 2 밸브는 각 실린더 헤드마다 또는 복수의 실린더 헤더마다 설치된 것이어도 좋다.

상기 가스 엔진에 있어서, 제 1 밸브 및/또는 제 2 밸브가 복수 설치된 것이어도 좋다.

삭제

(발명의 효과)

본 발명에 의하면, 연료 가스의 조성 변화에 대응해서 공연비 제어를 행할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 가스 엔진의 전체 구성의 개략도이다.
도 2는 도 1에 나타내는 가스 엔진에 있어서의 연료 가스와 흡입 공기의 혼합부의 구성을 나타내는 블럭도이다.
도 3은 퍼터베이션 제어에 있어서의 공기 과잉률, 솔레노이드 밸브 개도, 센서 출력의 각 경시적 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4는 개도 평균값의 산출 방법을 설명하는 그래프로서, 솔레노이드 밸브에 의한 퍼터베이션 제어시에 있어서의 솔레노이드 밸브 개도의 경시적 변화를 상세하게 나타내는 그래프이다.
도 5는 연료 가스의 칼로리의 변화에 의해 변동하는 솔레노이드 밸브 및 A/F 밸브의 연료 가스 유량과 흡입 공기 유량의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 6은 연료 가스의 칼로리 변화를 고려했을 때의 제어부에 의한 제어를 설명하는 플로우도이다.
도 7은 개도 평균값의 다른 산출 방법을 설명하는 그래프로서, 솔레노이드 밸브에 의한 퍼터베이션 제어시에 있어서의 솔레노이드 밸브 개도, 센서 출력의 경시적 변화를 상세하게 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 가스 엔진의 연료 가스의 칼로리 변화를 고려했을 때의 제어부에 의한 제어를 설명하는 플로우도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 가스 엔진의 연료 가스의 칼로리 변화를 고려했을 때의 제어부에 의한 제어를 설명하는 플로우도이다.
도 10의 (a)는 흡기부의 다른 구성을 나타내는 개략도, 동 도면 (b)는 또 다른 구성을 나타내는 개략도이다.
도 11은 혼합부의 다른 구성을 나타내는 개략도이다.
도 12는 본 발명에 따른 가스 엔진을 사용한 가스 히트 펌프 장치의 전체구성의 개략을 나타내는 개략도이다.
도 13은 본 발명에 따른 가스 엔진을 사용한 코제너레이션 장치의 전체구성의 개략을 나타내는 개략도이다.

이하, 본 발명의 실시형태에 대해서 도면을 참조해서 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 가스 엔진(1)의 전체구성의 개략을 나타내고, 도 2는 동 가스 엔진(1)에 있어서의 연료 가스와 흡입 공기의 혼합부(2a)를 나타내고, 도 3은 동 가스 엔진(1)의 제어부(10)에 의한 퍼터베이션 제어의 제어도를 나타내고, 도 4는 개도 평균값(b)의 산출 방법을 설명하는 그래프를 나타내고, 도 5는 솔레노이드 밸브(21) 및 A/F 밸브(22)의 밸브 특성을 설명하는 그래프를 나타내고, 도 6은 연료 가스의 칼로리 변화를 고려한 제어부(10)에 의한 제어 플로우를 나타내고 있다.

이 가스 엔진(1)은 솔레노이드 밸브(21)와 A/F 밸브(22)를 구비하고, 솔레노이드 밸브(21)에 의한 퍼터베이션을 행하도록 구성되어 있고, 소정의 엔진 회전수나 부하로 스토이키 운전을 행했을 때의 솔레노이드 밸브(21)의 개도 및 A/F 밸브(22)의 개도와 공연비의 관계가 설정된 제어부(10)를 구비하고 있고, 상기 제어부(10)는 엔진의 운전 상황이 일정하다고 간주되는 기간내에 있어서의 실제의 운전시의 솔레노이드 밸브(21)의 개도 평균값(b)이 상기 조건으로 제어부(10)에 설정되어 있는 솔레노이드 밸브(21)의 개도 목표값(a)으로부터 벗어나 있는 경우에, 개도 평균값(b)이 개도 목표값(a)이 되도록 A/F 밸브(22)의 개도를 조정하도록 되어 있다.

우선, 가스 엔진(1)의 전체구성에 관하여 설명한다.

가스 엔진(1)은 실린더 헤드(11)에 접속된 흡기경로(12)에, 공기와 연료 가스를 혼합하는 혼합부(2a)가 설치되어 있고, 이 혼합부(2a)와 실린더 헤드(11) 사이에 스로틀 밸브(2b)가 설치되어 있다. 이들 혼합부(2a) 및 스로틀 밸브(2b)에 의해 흡기부(2)가 구성되어 있고, 이 흡기부(2)는 제어부(10)로부터의 신호에 의해 제어된다.

혼합부(2a)는 도 2에 나타낸 바와 같이 솔레노이드 밸브(21)와 A/F 밸브(22)와 메인젯(23)와 어저스트 스크류(24)가 레귤레이터(25)와 믹서(26) 사이에 병렬로 접속되어 있다.

솔레노이드 밸브(21)는 이론 공연비가 되는 공기 과잉률(λ=1)의 스토이키 운전을 제어하기 위해서, 연료 가스가 통과하는 개구 면적을 조정할 수 있도록 설계된 유량 특성의 밸브로 구성되어 있다. 이 솔레노이드 밸브(21)는 판 스프링 또는 스프링 등의 바이어싱 포오스에 의해 유로를 폐쇄하도록 바이어싱된 가동밸브를 전자 코일로 가동시켜서 소정의 개도로 개방하도록 구성되어 있다. 이 솔레노이드 밸브(21)는 예를 들면 25헤르츠의 속도로 개폐를 행하고, 그 개폐시의 듀티비를 변경함으로써 개도를 조정할 수 있게 이루어져 있다. 또, 솔레노이드 밸브(21)는 25헤르츠의 것에 한정되는 것은 아니고, 이 종류의 퍼터베이션 제어에서 사용되는 각종 주파수의 솔레노이드 밸브(21)이어도 좋다. 이 구성에 의해, 솔레노이드 밸브(21)는 유량 조정폭은 작지만, 빠른 유량 조정이 가능하게 이루어져 있다. 또한 솔레노이드 밸브(21)를 구성하는 유량 특성의 밸브는 비례 제어 밸브로 구성되는 것이어도 좋다.

A/F 밸브(22)는 이론 공연비가 되는 공기 과잉률(λ=1)의 스토이키 운전으로부터 린 연소가 되는 공기 과잉률(λ=1.4∼1.6)의 린 운전까지의 범위를 제어하기 위해서 연료 가스의 통과 경로의 개구 면적을 조정할 수 있도록 설계된 유량 특성의 비례 제어 밸브로 구성되어 있다. 이 A/F 밸브(22)는 스테핑 모터의 회전에 의해 가동밸브의 개도를 1단계마다 조정할 수 있도록 구성되어 있다. 이 구성에 의해 A/F 밸브(22)는 빠른 유량조정은 할 수 없지만, 폭넓은 공기 과잉률의 범위에 대응할 수 있도록 유량 조정폭이 크게 구성되어 있다.

메인젯(23)은 솔레노이드 밸브(21) 및 A/F 밸브(22)와 함께, 레귤레이터(25)로부터 믹서(26)로 흐르는 연료의 양을 조정하도록 구성된 밸브이며, 상기한 솔레노이드 밸브(21)나 A/F 밸브(22)와는 달리 개도는 사용하는 메인젯(23)의 번호로 고정되어 있다.

어저스트 스크류(24)는 수동으로 연료 가스의 양을 조정하도록 구성된 밸브이며, 통상은 상기 메인젯(23)과 함께 고정되어 있다.

레귤레이터(25)는 항상 일정한 압력으로 연료 가스를 공급할 수 있도록 연료 가스의 압력을 제어하도록 이루어져 있다.

믹서(26)는 공기와 연료 가스를 혼합하는 벤츄리관으로 구성되어 있다. 이 믹서(26)는 하류측에 설치된 스로틀 밸브(2b)의 개도에 따라 흡입되는 공기의 벤튜리 효과로 연료 가스와 공기를 혼합하도록 이루어져 있다.

실린더 헤드(11)에 접속되는 배기 경로(13)에는 사일렌서(3a)가 설치되어 있고, 이 사일렌서(3a)와 실린더 헤드(11) 사이에 삼원촉매(3b)가 설치되어 있다. 이 삼원촉매(3b)의 배기가스 입구측에는 전방 산소센서(31)가 설치되어 있고, 출구측에도 다른 후방 산소센서(32)가 설치되어 있다.

혼합부(2a)는 린 운전시에는 공기 과잉률의 범위(λ=1.4∼1.6)의 린 운전을 행하도록 이루어져 있다. 이 때, 공기 과잉률의 범위(λ=1.4∼1.6)의 제어는 삼원촉매(3b)의 배기가스 입구측에 설치된 전영역 센서(도시생략)로부터의 검출 결과에 의거하여 솔레노이드 밸브(21)를 폐쇄한 상태에서 A/F 밸브(22)를 제어부(10)에 의해 제어함으로써 행해진다.

또한 혼합부(2a)는 스토이키 운전을 행할 경우에는 이론 공연비의 공기 과잉률(λ=1)을 중심으로 해서 린측 및 리치측으로 공연비가 변동하는 스토이키 운전의 퍼터베이션 제어를 할 수 있게 되어 있다. 이 때, 퍼터베이션 제어는 전방 산소센서(31)로부터의 검출 결과에 의거하여 A/F 밸브(22)를 개폐 영역의 중간의 개도, 예를 들면 50%의 개도로 개방한 상태에서, 솔레노이드 밸브(21)를 개폐 영역의 중간의 개도, 예를 들면 50%가 되는 개도로 개방하고, 상기 솔레노이드 밸브(21)를 50%의 개도로부터 소정의 피치로 개방하거나 폐쇄하거나를 반복하여 개도의 변동을 제어부(10)에 의해 제어함으로써 행해진다.

여기에서, 스토이키 운전시에 있어서, 솔레노이드 밸브(21) 및 A/F 밸브(22)를 개폐 영역의 중간의 개도로 설정하고 있는 것은 작은 개도나 큰 개도의 영역에 비해서 중간의 개도는 비례 제어의 정밀도가 높기 때문이다. 따라서, 작은 개도나 큰 개도의 영역에서 보정 제어하는 것 등에 의해, 개폐 영역의 전역에 걸쳐 비례 제어의 정밀도가 같은 경우에는 이러한 중간의 개도에 구애될 필요는 없다. 단, 린 운전을 행하는 가스 엔진(1)의 경우, A/F 밸브(22)는 린 운전시에 폐쇄하는 것을 고려해서 스토이키 운전시에는 중간의 개도보다 큰 개도로 설정해 두는 것이 바람직하다. 이하, 설명의 편의상, 소정 칼로리의 연료 가스를 이용하여 스토이키 운전을 행할 경우에 있어서는 솔레노이드 밸브(21)를 개도 50%, A/F 밸브(22)를 개도 50%로 가정해서 설명한다.

제어부(10)는 소정 칼로리의 연료 가스를 이용하여 스토이키 운전이나 린 운전을 행할 경우의, 솔레노이드 밸브(21) 및 A/F 밸브(22)의 각각의 개도와, 전방 산소센서(31), 후방 산소센서(32), 전영역 센서(도시생략)로부터의 검출 결과의 관계가 입력되어 있고, 이 입력 정보에 따라서 스토이키 운전이나 린 운전을 제어하도록 구성되어 있다.

예를 들면 스토이키 운전을 제어할 경우, 제어부(10)는 삼원촉매(3b)의 입구측에 설치된 전방 산소센서(31)의 측정 검출 결과가 이론 공연비의 공기 과잉률(λ=1)이 되도록 솔레노이드 밸브(21)의 시간 평균 개도를 50%로 유지하면서, A/F 밸브(22)의 개도를 조정함으로써 행해진다. 이 때, 기준 연료 가스가 공급되고 있으면, A/F 밸브(22)의 개도도 50%로 유지된다.

또한 이론 공연비의 공기 과잉률(λ=1)을 중심으로 해서 린측 및 리치측으로 공연비가 변동하는 스토이키 운전의 퍼터베이션의 제어는 삼원촉매(3b)의 입구측에 설치된 전방 산소센서(31)와, 그 후단인 삼원촉매(3b)의 출구측에 설치된 후방 산소센서(32)의 측정 검출 결과에 의거하여 솔레노이드 밸브(21)의 개폐도를 제어함으로써 행해진다. 이 퍼터베이션의 제어는 제어부(10)에 의해 이하와 같이 해서 행해진다.

즉, 도 3에 나타내듯이 전방 산소센서(31)에 의해 삼원촉매(3b)에 유입하는 바로앞의 배기가스의 산소농도를 측정한다. 이 전방 산소센서(31)는 스토이키 운전보다 리치측으로 판정되었을 경우에는 솔레노이드 밸브(21)를 스토이키 운전의 설정보다 과잉으로 린측으로 폐쇄한다.

그러면, 배기가스중의 과잉의 산소는 삼원촉매(3b)에 흡장되고, 삼원촉매(3b)에 흡장된 산소가 포화되므로 삼원촉매(3b)의 후단측에 설치된 후방 산소센서(32)는 솔레노이드 밸브(21)의 스위칭으로부터 소정의 응답시간후에 린측으로 이행한다.

또한 삼원촉매(3b)보다 전단측 전방 산소센서(31)는 스토이키보다 린측으로 솔레노이드 밸브(21)를 폐쇄함으로써, 린측으로 판정되므로, 이 판정에 맞춰서 솔레노이드 밸브(21)를 스토이키 운전의 설정보다 과잉으로 리치측으로 개방한다.

그러면, 삼원촉매(3b)에 흡장되어 있던 산소는 배기가스중으로 방출되어 배기가스를 정화하지만, 그 중 삼원촉매(3b)에 흡장되어 있던 산소가 고갈되므로 삼원촉매(3b) 후단측에 설치된 후방 산소센서(32)는 솔레노이드 밸브(21)의 스위칭으로부터 소정의 응답시간후에 리치측으로 이행한다.

이후, 약 1∼2초정도의 소정의 피치로 공연비를 변경(퍼터베이션)시킴으로써 삼원촉매(3b)의 후단측의 후방 산소센서(32)는 이론 공연비의 공기 과잉률(λ=1)의 린측과 리치측에서 공연비가 완만하게 변화된다. 이 때, 삼원촉매(3b)는 산소의 흡장 및 방출이 반복되게 되고, 촉매가 활성화한 상태가 유지되게 된다.

제어부(10)에는 이 도 3에 나타내는 제어맵이 입력되어 있고, 소정 칼로리의 연료 가스를 이용하여 스토이키 운전을 행할 경우, 이 제어맵에 따른 제어가 행해지게 된다.

이 중, 솔레노이드 밸브(21)에 의한 밸브 개도의 제어 파라미터로서는 도 4에 나타내듯이 소정 시간에서 급격하게 밸브를 개방하는 점프업량(J), 그 후에 소정 시간에서 완만하게 밸브가 개방되는 램프업 속도(R), 다음에 솔레노이드 밸브(21)를 급격하게 폐쇄할 때까지의 동안의 딜레이 타임(D)에 의해 결정된다. 따라서, 제어부(10)에 입력되어 있는 솔레노이드 밸브(21)의 개도에 대해서는 이러한 퍼터베이션 제어시의 개도변화의 조건도 입력되어 있다. 또한 제어부(10)는 스토이키 운전에 있어서, 전방 산소센서(31)가 이론 공연비의 공기 과잉률(λ=1)이 될 때의 산소농도에 대응한 솔레노이드 밸브(21)의 개도(여기에서는 50%)가 개도 목표값(a)으로서 인식되어 있고, 이 개도 목표값(a)을 중심으로 린측 및 리치측으로 솔레노이드 밸브(21)의 개도를 상기한 개도 변화 조건으로 변동시킴으로써 린측 및 리치측으로 변동하는 공기 과잉률의 변동폭을 제어하도록 이루어져 있다.

또한 제어부(10)는 소정의 엔진 회전수나 부하로 솔레노이드 밸브(21)에 의한 퍼터베이션을 행하고 있는 실제의 운전 상황에 있어서, 상기 운전 상황이 안정되어 있다라고 간주되는 어떤 일정 시간내에 상기 솔레노이드 밸브(21)의 개도의 이력으로부터 실제의 운전 상황에 있어서의 개도 평균값(b)을 산출하도록 이루어져 있다. 이 개도 평균값(b)의 산출은 도 4에 나타내듯이 퍼터베이션 제어의 각 밸브 개도의 단계에서 개도를 측정해서 산출된다. 도 4에서는 3사이클분의 개도를 평균하여 산출하고 있지만, 특별히 3사이클분에 한정되는 것은 아니고, 1사이클분 또는 2사이클분의 개도를 평균한 것이어도 좋고, 3사이클이상의 개도를 평균하여 개도 평균값(b)을 산출한 것이어도 좋다. 실제의 운전 상황으로부터 개도의 이력을 1사이클분만큼 거슬러 올라가서 개도 평균값(b)을 산출한 경우, 실제의 운전 상황에 가깝고, 또한, 데이터 처리를 일찍 행할 수 있지만, 데이터의 안정성이 우려된다. 실제의 운전 상황으로부터 개도의 이력을 3사이클이상 거슬러 올라서 개도 평균값(b)을 산출한 경우, 안정된 데이터가 얻어지지만, 처리하는 데이터수가 많아져서 데이터 처리가 느려져 버린다. 따라서, 실제의 운전 상황으로부터 개도의 이력을 어느 만큼 거슬러 올라가서 개도 평균값(b)을 산출할지에 관해서는 사용하는 가스 엔진(1)이나, 그 사용 환경에 따라 적당하게 결정된다.

제어부(10)는 이렇게 해서 산출된 실제의 운전 상황에 있어서의 개도 평균값(b)과, 제어부(10)에 입력된 동일한 조건에 있어서의 본래의 개도 목표값(a)을 비교하도록 이루어져 있다. 그리고, 개도 평균값(b)이 개도 목표값(a)보다 작은 경우에는 그 작은 정도에 따라 A/F 밸브(22)의 개도를 폐쇄하고, 개도 평균값(b)이 개도 목표값(a)과 같거나 큰 경우에는 그 큰 정도에 따라 A/F 밸브(22)의 개도를 유지하거나, 또는 더 개방하여 개도 평균값(b)과 개도 목표값(a)이 일치하도록 제어된다.

다음에 제어부(10)에 의한 연료 가스의 칼로리 변화를 고려한 제어에 관하여 설명한다.

기준이 되는 소정 칼로리의 연료 가스가 공급되고 있는 경우에는 상기한 바와 같이 제어부(10)에 의한 제어가 행해지지만, 실제로 공급되는 연료 가스의 칼로리가 기준보다 낮은 경우, 또는 실제로 공급되는 연료 가스의 칼로리가 기준보다 높은 경우, 도 5에 나타내듯이 유량 조정폭이 큰 A/F 밸브(22)를 개폐함으로써, 상기 A/F 밸브(22)를 그 연료 가스 칼로리에 맞는 개도로 다시 설정할 필요가 있다. 예를 들면 A/F 밸브(22)를 저칼로리 가스에 맞춘 개도 또는 고칼로리 가스에 맞춘 개도로 한 상태에 있어서, 솔레노이드 밸브(21)를 완전개방 또는 완전폐쇄로 했다고 해도 솔레노이드 밸브(21)에 의한 유량 조정폭(Vl,Vh)은 한정되어 있고, 상기 솔레노이드 밸브(21)만으로 칼로리가 낮은 연료 가스로부터 칼로리가 높은 연료 가스까지의 범위를 제어할 수는 없다.

또한, 상기한 퍼터베이션 제어와 같이 제어부(10)에 의해 A/F 밸브(22)의 개도를 유지하면서, 솔레노이드 밸브(21)를 개폐시켜서 제어를 행하고 있을 때에, 연료 가스의 칼로리가 변화된 경우, 그 변화는 솔레노이드 밸브(21)에 의한 퍼터베이션 제어에 섞여버려 퍼터베이션 제어에 의해 발생한 것인지, 연료 가스의 칼로리 변화에 의해 발생한 것인지 판단이 서지 않는다. 따라서, 실제의 운전 상황에서는 연료 가스의 칼로리가 변화된 듯한 경우이어도 빠른 유량 조정이 가능한 솔레노이드 밸브(21)가 그 변화에 추종하고, 상기 솔레노이드 밸브(21)에 의해 제어되어 버린다. 그 결과, 연료 가스의 칼로리 변화에 의한 공연비의 변화를 발생한 경우, 솔레노이드 밸브(21)가 보다 개방되는 방향 또는 보다 폐쇄되는 방향으로 어긋나서 퍼터베이션하는 것이 되지만, 상기 솔레노이드 밸브(21)의 제어 범위가 좁기 때문에 곧 제어 가능범위로부터 벗어나서 제어 불능이 되어 버리는 것이 된다.

그래서, 연료 가스의 칼로리 변화가 생겨서 솔레노이드 밸브(21)의 개도가 보다 개방되는 방향 또는 보다 폐쇄되는 방향으로 어긋나기 시작한 경우에, 솔레노이드 밸브(21)가 아니라, A/F 밸브(22)에 의해 개도 조정을 할 수 있도록 제어부(10)는 이하와 같이 제어된다.

우선, 이론 공연비의 공기 과잉률(λ=1)로 가스 엔진(1)의 스토이키 운전이 개시된다. 이 스토이키 운전은 솔레노이드 밸브(21)의 개도의 시간 평균값이 50%가 되도록 유지하면서, A/F 밸브(22)의 개도 조정을 행함으로써 실행된다. 이 때, 연료 가스가 소정의 칼로리이면, A/F 밸브(22)의 개도도 소정의 엔진 회전수나 부하로 스토이키 운전을 행하고 있으면, 미리 제어부(10)로 설정되어 있던 개도, 즉, 50%의 개도가 될 것이다. 그러나, 실제의 운전시에 가스 엔진(1)에 공급되는 연료 가스는 같다는 보증은 없고, 지역에 따라서는 하루 중에서 연료 가스의 칼로리가 높아지거나, 낮아지거나 변동한다.

그래서, 도 6에 나타내듯이 연료 가스의 칼로리 변화를 파악하기 위해서 우선, 스토이키 운전시에 있어서 소정의 엔진 회전수나 부하를 검출하고, 이들 조건으로 제어부(10)에 설정되어 있는 솔레노이드 밸브(21)의 개도 목표값(a)을 판독한다(스텝1).

개도 목표값(a)을 판독했을 때부터 실제의 운전 상황에 있어서의 솔레노이드 밸브(21)의 개도 이력을 과거로 거슬러 올라 일정 시간에 있어서의 솔레노이드 밸브(21)의 개도 이력의 평균값을 개도 평균값(b)으로서 산출한다(스텝2).

연료 가스의 칼로리가 변화되고 있지 않으면 스텝1에서 판독한 개도 목표값(a)과 스텝2에서 산출한 개도 평균값(b)은 일치하므로, 이 개도 목표값(a)과 개도 평균값(b)을 비교한다(스텝3).

개도 평균값(b)이 개도 목표값(a)보다 작은 경우, 그 차의 분만큼 연료 가스의 칼로리가 크고, 솔레노이드 밸브(21)가 폐쇄되는 방향으로 어긋나기 시작하고 있게 되므로 소정의 레이트에 따라 A/F 밸브(22)를 폐쇄한다(스텝4).

개도 평균값(b)이 개도 목표값(a)보다 큰 경우, 그 차의 분만큼 연료 가스의 칼로리가 작고, 솔레노이드 밸브(21)가 개방되는 방향으로 어긋나기 시작하고 있게 되므로 소정의 레이트에 따라 A/F 밸브(22)를 개방한다. 또한 개도 평균값(b)이 개도 목표값(a)과 같은 경우에는 연료 가스의 칼로리가 변화되고 있지 않고, 솔레노이드 밸브(21)가 어긋나고 있지 않으므로 현재의 레이트인 상태로 A/F 밸브(22)는 개도를 유지한다(스텝5).

이후, 스텝1로부터의 제어를 반복한다.

이에 따라 가스 엔진(1)은 기준 연료 가스보다 칼로리가 낮거나 또는 높은 연료 가스가 공급된 경우에, 솔레노이드 밸브(21)가 아니라, A/F 밸브(22)의 개도 조정에 의해 대응할 수 있으므로, 연료 가스의 칼로리가 크게 변화되는 경우이여도, 그 변화에 대응해서 솔레노이드 밸브(21)에 의한 스토이키 운전의 퍼터베이션 제어를 계속해서 행할 수 있다. 따라서, 배기 가스의 정화 성능을 유지할 수 있는 기간이 길어져 메인터넌스 인터벌을 장기화할 수 있다. 또한 촉매의 귀금속량이나 용량을 크게 하지 않아도 되어 촉매의 코스트 상승을 방지할 수 있다. 또한, 칼로리 변화가 큰 연료 가스를 사용하는 경우이여도, 가스 엔진(1)을 운전할 수 있다. 또한 연료 가스의 칼로리가 다른 복수의 나라나 지역에서 사용하는 것이 가능해진다.

또, 도 5에 나타내듯이 저칼로리 가스가 공급되고 있는 경우에 솔레노이드 밸브(21)를 완전폐쇄로부터 완전개방으로 했을 때의 가스 유량 조정폭(Vl)과, 고칼로리 가스가 공급되고 있는 경우에 솔레노이드 밸브(21)를 완전폐쇄로부터 완전개방으로 했을 때의 가스 유량 조정폭(Vh)은 크게 다르기 때문에 같은 개도 변화량으로 퍼터베이션 제어를 행하면, 공연비의 변동이 잘 되지 않게 되어 버린다. 따라서, 솔레노이드 밸브(21)에 의해 스토이키 운전의 퍼터베이션 제어를 행할 경우에, A/F 밸브(22)의 개도를 저칼로리 가스에 다시 맞췄을 때는 솔레노이드 밸브(21)의 개폐도는 유량 조정폭(Vl)을 고려한 개도 변화량으로 하고, A/F 밸브(22)의 개도를 고칼로리 가스에 다시 맞췄을 때는 솔레노이드 밸브(21)의 개폐도는 유량 조정폭(Vh)를 고려한 개도 변화량으로서 퍼터베이션 제어를 하는 것이 바람직하다. 이 경우, 유량 조정폭(Vl,Vh)을 고려한 솔레노이드 밸브(21)의 개도 변화량은 A/F 밸브(22)의 개도와 연동하는 형태로 제어부(10)에 입력 설정해 둘 수 있다.

본 실시형태에 있어서, 개도 평균값(b)은 도 4에 나타내듯이 퍼터베이션 제어의 각 공기 과잉률의 단계에서 개도를 측정해서 산출하고 있다. 그러나, 이 경우, 개도 평균값(b)을 산출하기 위해서 필요로 되는 데이터수가 많아 제어부(10)에 부담이 가해지게 된다. 따라서, 도 7에 나타내듯이 개도 평균값(b)은 퍼터베이션 제어에 있어서의 솔레노이드 밸브(21)의 최대 개도와 최소 개도를 측정해서 간이하게 산출하는 것이어도 좋다. 이 때, 솔레노이드 밸브(21)의 최대 개도와 최소 개도는 전방 산소센서(31)로부터 얻어지는 신호가 세트 포인트(S)를 통과하는 위치에서 최대 개도 및 최소 개도가 되므로, 이 위치에서 검출되는 개도로부터 최대 개도와 최소 개도를 측정하여 개도 평균값(b)을 산출한다. 이 경우, 개도 평균값(b)을 산출하기 위해서 필요한 데이터수는 퍼터베이션 제어의 1사이클당 2개가 되므로, 예를 들면 10사이클분의 데이터를 과거로 거슬러 올라가서 개도 평균값(b)을 측정해도 제어부(10)의 정보처리에 부담을 끼치는 것을 방지할 수 있다. 도 8은 이렇게 하여 산출한 개도 평균값(b)에 의한 제어부(10)의 제어에 대해서 개시하고 있다.

즉, 도 6의 스텝1의 경우와 마찬가지로, 스토이키 운전시에 있어서 소정의 엔진 회전수나 부하를 검출하고, 이들 조건으로 제어부(10)에 설정되어 있는 솔레노이드 밸브(21)의 개도 목표값(a)을 판독한다(스텝21).

개도 목표값(a)을 판독했을 때부터 실제의 운전 상황에 있어서의 솔레노이드 밸브(21)의 개도이력을 과거로 거슬러 올라 일정 시간에 있어서의 솔레노이드 밸브(21)의 개도이력의 평균값을 개도 평균값(b)으로서 산출한다. 이 때, 솔레노이드 밸브(21)의 최대 개도와 최소 개도를 과거 10사이클분으로 거슬러 올라가서 측정하고, 평균화해서 개도 평균값(b)을 산출한다(스텝22).

연료 가스의 칼로리가 변화되고 있지 않으면 스텝21에서 판독한 개도 목표값(a)과 스텝22에서 산출한 개도 평균값(b)은 일치하므로, 이 개도 목표값(a)과 개도 평균값(b)을 비교한다(스텝23).

개도 평균값(b)이 개도 목표값(a)보다 작은 경우, 그 차의 분만큼 연료 가스의 칼로리가 크고, 솔레노이드 밸브(21)가 폐쇄되는 방향으로 어긋나기 시작하고 있게 되므로, 소정의 레이트에 따라 A/F 밸브(22)를 폐쇄한다(스텝24).

개도 평균값(b)이 개도 목표값(a)보다 큰 경우, 그 차의 분만큼 연료 가스의 칼로리가 작고, 솔레노이드 밸브(21)가 개방되는 방향으로 어긋나기 시작하고 있게 되므로, 소정의 레이트에 따라 A/F 밸브(22)를 폐쇄한다. 또한 개도 평균값(b)이 개도 목표값(a)과 같은 경우에는 연료 가스의 칼로리가 변화되고 있지 않고, 솔레노이드 밸브(21)가 어긋나고 있지 않으므로 현재의 레이트인 채로 A/F 밸브(22)는 개도를 유지한다(스텝25).

이후, 스텝21로부터의 제어를 반복한다.

이에 따라 가스 엔진(1)은 기준 연료 가스보다 칼로리가 낮거나 또는 높은 연료 가스가 공급되었을 경우에, 솔레노이드 밸브(21)가 아니라, A/F 밸브(22)의 개도 조정에 의해 대응할 수 있으므로, 연료 가스의 칼로리가 크게 변화되는 경우이어도 그 변화에 대응해서 솔레노이드 밸브(21)에 의한 스토이키 운전의 퍼터베이션 제어를 계속해서 행할 수 있다.

또한 제어부(10)의 정보처리에 부담을 끼치지 않고 개도 평균값(b)을 산출해서 공연비 제어를 행할 수 있다.

또, 상기한 2개의 실시형태에 있어서는 개도 목표값(a)과 개도 평균값(b)을 비교해서 그 차의 분만큼 소정의 레이트에 따라서 A/F 밸브(22)를 제어하도록 이루어져 있지만, 개도 목표값(a)과 개도 평균값(b)이 완전히 일치하는 것은 어렵다. 따라서, 상기 제어에 의한 경우, 빈번히 A/F 밸브(22)가 개방되거나 폐쇄되거나를 반복하게 되어 제어부(10)에의 부담이 커져 버리는 것이 우려된다. 그래서, 제어부(10)에 맵화된 각 개도 목표값(a)과 함께, 상기 개도 목표값(a)과 대응하는 불감대폭(c)을 제어부(10)에 입력 설정해 두고, 이 불감대폭(c)을 이용하여 제어하는 것이어도 좋다.

이 불감대폭(c)은 개도 목표값(a)과 개도 평균값(b)의 차에 반응해서 A/F 밸브(22)가 빈번히 개폐하지 않도록 설정되는 값이며, 이 값을 초과한 값이 되지 않으면 A/F 밸브(22)의 개도변경이 행해지지 않도록 설정되는 수치범위이다. 따라서, 이 불감대폭(c)은 사용하는 가스 엔진(1)이나, 그 사용 환경에 따라 적당하게 설정된다.

도 9는 제어부(10)에 설치한 불감대폭(c)을 이용해서 엔진의 공연비 제어를 할 경우를 나타내고 있다.

즉, 도 6의 스텝1의 경우와 마찬가지로, 스토이키 운전시에 있어서 소정의 엔진 회전수나 부하를 검출하고, 이들 조건으로 제어부(10)에 설정되어 있는 솔레노이드 밸브(21)의 개도 목표값(a)을 판독한다(스텝31).

개도 목표값(a)을 판독했을 때부터 실제의 운전 상황에 있어서의 솔레노이드 밸브(21)의 개도이력을 과거로 거슬러 올라 일정 시간에 있어서의 솔레노이드 밸브(21)의 개도이력의 평균값을 개도 평균값(b)으로서 산출한다(스텝32).

개도 목표값(a)을 판독했을 때와 같은 엔진 회전수나 부하가 일정하게 된 기간내에 있어서의 불감대폭(c)을 제어부(10)로부터 판독한다(스텝33).

연료 가스의 칼로리의 변화가 작으면, 스텝31에서 판독한 개도 목표값(a)과 스텝32에서 산출한 개도 평균값(b)의 차는 불감대폭(c)보다도 작을 것이므로 이 개도 목표값(a)과 개도 평균값(b)의 차(|a-b|)를 불감대폭(c)과 비교한다(스텝34).

개도 목표값(a)과 개도 평균값(b)의 차(|a-b|)가 불감대폭(c)과 같거나 작은 경우에는 연료 가스의 칼로리의 변화는 허용되는 범위내의 변화이기 때문에 스텝31로부터의 제어가 반복된다.

개도 목표값(a)과 개도 평균값(b)의 차(|a-b|)가 불감대폭(c)보다 큰 경우에는 연료 가스의 칼로리 변화는 허용되는 범위를 초과한 것이기 때문에 개도 목표값(a)과 개도 평균값(b)을 비교한다(스텝35).

개도 평균값(b)이 개도 목표값(a)보다 작은 경우, 그 차의 분만큼 연료 가스의 칼로리가 크고, 솔레노이드 밸브(21)가 폐쇄되는 방향으로 어긋나기 시작하고 있게 되므로, 소정의 레이트에 따라 A/F 밸브(22)를 폐쇄한다(스텝36).

개도 평균값(b)이 개도 목표값(a)보다 큰 경우, 그 차의 분만큼 연료 가스의 칼로리가 작고, 솔레노이드 밸브(21)가 개방되는 방향으로 어긋나기 시작하고 있게 되므로, 소정의 레이트에 따라 A/F 밸브(22)를 폐쇄한다(스텝37).

이후, 스텝31로부터의 제어를 반복한다.

이에 따라 가스 엔진(1)은 기준 연료 가스보다 칼로리가 낮거나 또는 높은 연료 가스가 공급되었을 경우에, 솔레노이드 밸브(21)가 아니라, A/F 밸브(22)의 개도 조정에 의해 대응할 수 있으므로, 연료 가스의 칼로리가 크게 변화되는 경우이여도, 그 변화에 대응해서 솔레노이드 밸브(21)에 의한 스토이키 운전의 퍼터베이션 제어를 계속해서 행할 수 있다.

또한 불감대폭(c)을 설치해서 제어함으로써, 개도 목표값(a)과 개도 평균값(b)의 차에 반응해서 A/F 밸브(22)가 빈번히 개폐하는 것을 방지할 수 있고, 또한, 제어부(10)에 의한 정보처리의 부담을 경감할 수 있다. 따라서, 공연비가 의도하지 않게 헌팅하거나 하는 것을 방지해서 공연비 제어의 안정화를 꾀할 수 있다.

또, 이 도 9에 나타내는 제어는 도 6에 나타내는 제어에 불감대폭(c)을 받아 들였을 경우에 관하여 설명하고 있지만, 도 8에 나타내는 제어에 불감대폭(c)을 받아 들여서 제어를 행하는 것이어도 좋다.

본 실시형태에 있어서, 혼합부(2a)는 흡기경로(12)에 하나 설치되어 있지만, 도 10(a)에 나타내듯이 가스 엔진(1)의 각 실린더 헤드(11)에 하나씩 설치된 것이어도 좋고, 도 10(b)에 나타내듯이 2개이상의 몇개의 실린더 헤드(11)마다(도면에서는 2개) 하나의 단위로 설치된 것이어도 좋다.

또한 본 실시형태에 있어서, 혼합부(2a)는 유량 특성이 다른 솔레노이드 밸브(21)와 A/F 밸브(22)를 제어할 수 있게 구성하고 있지만, 도 11에 나타내듯이 유량 특성이 같은 연료 유량 조정 밸브(20)를 2개 또는 3개이상(도면에서는 3개)의 복수개 설치해서 제어할 수 있게 구성한 것이어도 좋다. 이 경우, 본 실시형태에 있어서의 솔레노이드 밸브(21)와 같이 작용하는 연료 유량 조정 밸브(20)와, A/F 밸브(22)와 같이 작용하는 연료 유량 조정 밸브(20)를 구비하도록 구성한 것이어도 좋고, 각 연료 유량 조정 밸브(20)의 각각이 본 실시형태에 있어서의 솔레노이드 밸브(21)와 같이 작용하고, 또한, A/F 밸브(22)와 같이 작용하도록 구성한 것이어도 좋다. 이 경우, 연료 유량 조정 밸브(20)로서 구체적으로는 버터플라이 밸브나 솔레노이드 밸브 등 이 종류의 연료 가스 제어에 사용하고 있는 각종 밸브를 사용할 수 있다.

또, 상기에 있어서, 가스 엔진(1)은 스토이키 운전과 린 운전을 스위칭할 수 있도록 구성되어 있지만, 스토이키 운전만을 행하도록 구성된 가스 엔진(1)이어도 된다. 또한 가스 엔진(1)은 스토이키 운전의 공기 과잉률을 전방 산소센서(31)에 의해 검출하도록 되어 있지만, 이 전방 산소센서(31) 대신에 전영역 센서(도시생략)를 이용하여 스토이키 운전의 공기 과잉률을 검출하도록 한 것이어도 좋다.

이렇게 하여 구성되는 상기한 각 가스 엔진(1)은 도 12에 나타내듯이 가스 히트 펌프 장치(4)의 구동원으로서 적합하게 사용할 수 있다. 또한 이 가스 엔진(1)은 도 13에 나타내듯이 코제너레이션 장치(5)의 구동원으로서도 적합하게 사용할 수 있다. 즉, 이들 장치는 정지시키지 않고 장기간에 걸쳐 운전이 행해지거나, 조성의 변화를 발생하기 쉬운 바이오매스를 이용해서 생성한 연료 가스를 사용하는 것이 많은 점에서 연료 가스의 칼로리 변화를 발생하기 쉬워지는 요소가 많다. 따라서, 이들 장치는 연료 가스의 칼로리 변화에 대응할 수 있는 본 발명의 가스 엔진(1)을 사용함으로써 본 발명의 효과를 더한층 살리기 쉬워진다. 또, 도 12에 있어서, 가스 히트 펌프 장치(4)는 가스 엔진(1)에 2대의 컴프레서(41)가 접속되어 있지만, 컴프레서(41)는 1대이어도 좋고, 3대이상이어도 좋다. 또한 도 12에 있어서, 가스 히트 펌프 장치(4)는 1대의 실외기(42)에 2대의 실내기(43)가 접속되어 있지만, 실내기(43)는 1대이어도 좋고, 3대이상이어도 좋다.

또한 본 실시형태에 있어서는 가스 엔진(1)에 대해서 서술하고 있지만, 가스 엔진(1) 이외에 퍼터베이션 제어가 행해지는 각종 엔진에 적용하는 것이어도 좋다.

또, 본 발명은 그 정신 또는 주요한 특징으로부터 일탈하지 않고, 다른 여러가지 형태로 실시할 수 있다. 그 때문에 상술한 실시예는 모든 점에서 단순한 예시에 지나지 않고, 한정적으로 해석해서는 안된다. 본 발명의 범위는 특허청구의 범위에 의해 나타내는 것으로서, 명세서 본문에는 하등 구속되지 않는다. 또한, 특허청구의 범위에 속하는 변형이나 변경은 모두 본 발명의 범위내의 것이다.

1: 가스 엔진
10: 제어부
11: 실린더 헤드
13: 배기 경로
2: 흡기부
20: 연료 유량 조정 밸브(제 1 밸브 및/또는 제 2 밸브)
21: 솔레노이드 밸브(제 2 밸브)
22: A/F 밸브(제 1 밸브)
31: 전방 산소센서
32: 후방 산소센서
a: 개도 목표값
b: 개도 평균값

Claims

삭제
제 2 밸브보다 응답성이 낮고 연료 유량 조정폭이 큰 제 1 밸브와, 제 1 밸브보다 응답성이 높고 연료 유량 조정폭이 작은 제 2 밸브를 구비하고,
제 1 밸브를 소정의 개도로 개방된 상태에서 제 2 밸브를 소정의 개도로부터 린측 및 리치측으로 변동시켜서 상기 제 2 밸브에 의한 퍼터베이션을 행하도록 구성된 제어부를 구비하고 있고,
상기 제어부는 엔진의 운전 상황이 일정하다고 간주되는 기간내에 있어서의 실제의 운전시의 제 2 밸브의 개도 평균값이 상기 개도 평균값이 산출되는 조건과 동일한 조건으로 제어부에 설정되어 있는 제 2 밸브의 개도 목표값으로부터 벗어나 있는 경우에, 개도 평균값이 개도 목표값이 되도록 제 1 밸브의 개도를 조정함에 있어서 배기 경로의 매체 상류측에 설치된 산소센서로부터의 신호가 세트 포인트를 통과하는 위치에서 검출되는 개도에 의거하여 실제의 운전시의 제 2 밸브에 의한 퍼터베이션 제어에 있어서의 최대 개도와 최소 개도를 추출해서 개도 평균값을 산출하는 것을 특징으로 하는 가스 엔진.
삭제
제 2 항에 있어서,
제어부는 폭을 갖게 한 개도 목표값에 수렴되도록 제 1 밸브의 개도를 조정하는 것을 특징으로 하는 가스 엔진.
제 2 항 또는 제 4 항에 있어서,
제 1 밸브 및 제 2 밸브는 각 실린더 헤드마다 또는 복수의 실린더 헤더마다 설치된 것을 특징으로 하는 가스 엔진.
제 2 항 또는 제 4 항에 있어서,
제 1 밸브 및/또는 제 2 밸브가 복수 설치된 것을 특징으로 하는 가스 엔진.
삭제
제 2 항 또는 제 4 항에 기재된 가스 엔진을 구동원으로 하는 것을 특징으로 하는 가스 히트 펌프 장치.
제 2 항 또는 제 4 항에 기재된 가스 엔진을 구동원으로 하는 것을 특징으로 하는 코제너레이션 장치.