KR20130124570A

KR20130124570A - 가스 엔진의 제어 장치

Info

Publication number: KR20130124570A
Application number: KR1020137024509A
Authority: KR
Inventors: 미치야스 이시다; 미노루 에사키
Original assignee: 미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
Priority date: 2011-03-31
Filing date: 2011-03-31
Publication date: 2013-11-14
Also published as: CN103443436B; JPWO2012131990A1; EP2693036A4; US9261034B2; WO2012131990A1; JP5738401B2; US20140020668A1; CN103443436A; EP2693036A1

Abstract

본 발명의 과제는, 탄광 가스 등의 연료 가스 농도가 변동하기 쉬운 연료 가스를 사용한 경우에 있어서도 가스 유량 조정 밸브를 효과적으로 제어함으로써, 단시간에 안정된 아이들링 회전수를 얻는 동시에, 이상 연소, 실화 등의 발생을 용이하게 방지하는 것을 목적으로 한다.
가스 엔진(1)의 회전수를 검출하는 회전수 검출부(5)와, 연료 가스의 가스 농도를 검지하는 가스 농도 검지 수단(7)과, 가스 엔진(1)에 연료 가스를 공급하는 연료 가스 관로(3)에 설치된 가스 유량 조정 밸브(4)와, 가스 유량 조정 밸브(4)를 조작하는 거버너 액추에이터(21)와, 가스 엔진(1)의 기동 시에 있어서, 가스 농도 검지 수단(7)에 의해 검지된 연료 가스의 가스 농도에 따라 거버너 액추에이터(21)의 조작량을 연산하는 조작량 연산부(15)를 구비하고, 조작량 연산부(15)가 연산한 조작량에 기초하여 거버너 액추에이터(21)를 동작시키는 거버너 컨트롤러(10)를 갖는 것을 특징으로 한다.

Description

가스 엔진의 제어 장치{GAS ENGINE CONTROL DEVICE}

본 발명은, 전자 거버너를 사용한 가스 엔진의 제어 장치에 관한 것으로, 특히 가스 농도가 변동하기 쉬운 탄광 가스, 그 밖의 저농도 연료 가스를 사용하는 경우에 있어서도 이상 연소, 실화 등의 발생을 용이하게 방지할 수 있는 가스 엔진의 제어 장치에 관한 것이다.

메탄, 프로판 등의 가연 가스를 직접 실린더(연소실) 내에 도입하여 연소시키는 가스 엔진은, 엔진으로의 연료 가스 통로에 설치된 가스 유량 조정 밸브에 의해 연료 가스와 공기의 비율을 변화시켜, 확실한 착화, 연소를 이루게 하는 동시에, 엔진의 출력은 가스 유량 조정 밸브와, 상기 가스 유량 조정 밸브를 구동하는 거버너 액추에이터로 가스 유량을 조정함으로써 변화시키고 있다.

일본 특허 제3500047호 특허 공보(특허문헌 1)에는, 연료 가스의 공급량을 조정하는 기술이 개시되어 있다. 첨부의 도 8은 종래 기술의 연료 제어 등의 개략을 나타내는 것이다. 도 8에 있어서, 부호 01은 엔진, 부호 02는 상기 엔진(01)의 크랭크축, 부호 03은 연료 가스 관로, 부호 04는 상기 연료 가스 관로(03)에 설치된 가스 유량 조정 밸브, 부호 020은 전자 거버너이다. 또한, 부호 010은 전자 거버너(020)의 거버너 컨트롤러, 부호 021은 상기 가스 유량 조정 밸브(04)를 구동하는 거버너 액추에이터이다.

특허문헌 1에 따르면, 거버너 컨트롤러(010)는, 회전 검출기(05)로부터 입력되는 엔진 회전수의 검출값과 설정 회전수를 비교하여 그 회전수 편차에 상당하는 연료 가스 유량을 산출하고, 거버너 액추에이터(021)에 출력한다. 상기 거버너 액추에이터(021)는, 상기 유량 편차에 상당하는 만큼 가스 유량 조정 밸브(04)를 변화시킨다. 이에 의해, 상기 가스 엔진(01)은 설정 회전수에 의해 운전된다.

도 9는 종래 기술의 가스 엔진 기동 후에 있어서의 엔진 회전수의 변화와, 거버너 액추에이터 출력의 변화를 나타내는 선도이다. 엔진(01)에 있어서의 기동으로부터 아이들 회전수 N2까지의 사이의 회전수에 있어서, 가스 유량 조정 밸브(04)를 제어하는 거버너 액추에이터(021)의 출력, 즉, 연료 제한값의 증가율을 변화시키는 회전수 변이점 N1이 설정되어 있다.

엔진 정지로부터 상기 회전수 변이점 N1까지의 사이는, 기동 시에 있어서의 연료 가스 유량의 초기 제한값으로서 설정된 거버너 액추에이터 출력 S1에 상당하는 a점으로부터 회전수 변이점 N1에 있어서의 거버너 액추에이터 출력 S2에 상당하는 b점까지의 거버너 액추에이터 출력 S의 증가율 α1과, 상기 회전수 변이점 N1로부터 아이들 회전수 N2의 거버너 액추에이터 출력 S3에 상당하는 c점까지의 거버너 액추에이터 출력 S의 증가율 α2가, α2＞α1의 관계로 설정되어 있다.

그리고 회전수 변이점 N1의 연료 가스 유량 제한값 S2, 아이들링 회전수 N2의 연료 가스 유량 제한값 S3으로 함으로써, 아이들링 회전수 N2까지의 사이, 연료 가스의 공급량을 필요 이상으로 상승시키지 않도록 하고 있다.

따라서, 엔진의 기동 시에 있어서, 엔진 회전수의 상승에 정확하게 추종하여 거버너 액추에이터로부터의 연료 가스 유량 제한값이 변화되도록 제어할 수 있으므로, 기동 시에 급격하게 연료 가스 유량이 증대되어 연소실 내에서의 가스가 과농으로 되는 사태의 발생을 저지할 수 있고, 기동 후 엔진 연소실에는 적량의 연료 가스가 공급되게 되고, 실화나 노킹의 발생이 없는 안정된 기동이 실현된다.

일본 특허 제3500047호 공보

그런데 메탄, 프로판 등의 가연 가스를 연료로 하는, 가스 엔진은, 특히, 탄광 등에서 발생하는 저농도의 메탄을 연료로서 이용하는 경우도 있다.

이러한 경우, 탄광의 갱내에서의 채탄 작업 중에 발생하는 메탄의 배출을 목적으로 한 갱내 환기를 행하고, 갱 밖으로 배출한 가스를 저류하여 가스 엔진의 연료로서 사용하고 있다.

따라서, 저류된 메탄의 농도는 항상 일정하지 않고 변동하기 쉽다.

한편, 가스 엔진의 연료로서 사용하는 경우, 효율적인 운전을 얻기 위해서는 공기와 연료 가스(CH₄)의 비율이 일정 범위 내에 있는 것이 조건으로 된다.

그로 인해, 탄광 등으로부터 배출되는 연료 가스를 사용하는 경우, 농도를 고려하여 연료 가스를 엔진의 연소실에 공급할 필요가 있다.

본 발명은 이러한 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 탄광 가스 등의 연료 가스 농도가 변동하기 쉬운 연료 가스를 사용한 경우에 있어서도 가스 유량 조정 밸브를 효과적으로 제어함으로써, 단시간에 안정된 아이들링 회전수를 얻는 동시에, 이상 연소, 실화 등의 발생을 용이하게 방지하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 이러한 과제를 해결하기 위해, 가스 농도가 변화되는 연료 가스를 사용하는 가스 엔진의 제어 장치이며, 상기 가스 엔진의 회전수를 검출하는 회전수 검출부와, 상기 연료 가스의 가스 농도를 검지하는 가스 농도 검지 수단과, 상기 가스 엔진에 상기 연료 가스를 공급하는 연료 가스 관로에 설치된 가스 유량 조정 밸브와, 상기 가스 유량 조정 밸브를 조작하는 거버너 액추에이터와, 상기 가스 엔진의 기동 시에 있어서, 상기 가스 농도 검지 수단에 의해 검지된 상기 연료 가스의 가스 농도에 따라 상기 거버너 액추에이터의 조작량을 연산하는 조작량 연산부를 구비하고, 상기 조작량 연산부가 연산한 조작량에 기초하여 거버너 액추에이터를 동작시키는 거버너 컨트롤러를 갖는 것을 특징으로 한다.

이러한 구성에 의해, 연료 가스 농도에 따라 거버너 액추에이터를 동작시킬 수 있으므로, 단시간에 안정된 아이들링 회전이 얻어진다. 또한, 이상 연소, 실화 등의 발생을 용이하게 방지할 수 있다.

또한, 본 발명에 있어서 바람직하게는, 상기 연료 가스의 가스 농도에 따라 상기 가스 엔진의 기동 시에 있어서의 상기 거버너 액추에이터의 조작량의 증가율이 규정된 제1 맵을 갖고, 상기 거버너 컨트롤러는, 상기 가스 농도 검지 수단에 의해 검지된 상기 연료 가스의 가스 농도에 대응하는 상기 거버너 액추에이터의 조작량의 증가율을 상기 제1 맵으로부터 판독하는 거버너 출력 증가율 설정부를 구비하고, 상기 조작량 연산부는, 상기 증가율에 기초하여 상기 거버너 액추에이터의 조작량을 연산하는 것을 특징으로 한다.

이러한 구성에 의해, 가스 유량의 증가율을 제1 맵에 의해 설정하므로, 제어를 신속히 행할 수 있고, 단시간에 안정된 아이들링 회전이 얻어진다.

또한, 본 발명에 있어서 바람직하게는, 상기 제1 맵은, 상기 가스 엔진의 회전수에 따라 복수의 증가율이 규정되고, 상기 조작량 연산부는, 상기 회전수 검출부에 있어서 검출된 회전수에 대응하는 상기 증가율에 기초하여 상기 거버너 액추에이터의 조작량을 연산하는 것을 특징으로 한다.

이러한 구성에 의해, 상기 가스 엔진의 회전수에 따라 복수의 증가율이 규정되므로, 가스 유량이 회전수의 상승에 정확하게 추종하여 증가하게 된다. 이에 의해 엔진의 연소실에는 적량의 연료 가스가 공급되고, 실화나 노킹의 발생을 초래하는 사태의 발생이 회피된다.

또한, 본 발명에 있어서 바람직하게는, 상기 거버너 컨트롤러는, 상기 연료 가스의 가스 농도와 상기 회전수 검출부에 있어서 검출된 회전수에 따라 상기 거버너 액추에이터의 조작량의 상한값을 설정하는 상한 레벨 설정부와, 상기 조작량 연산부에서 연산한 조작량과, 상기 조작량의 상한값을 비교하고, 상기 조작량이 상기 상한값 이상인 경우에, 상기 상한값에 기초하여 상기 거버너 액추에이터를 조작하는 판단부를 구비한 것을 특징으로 한다.

상기 액추에이터의 조작량은 시간의 경과와 함께 증가해 가므로, 연소 불충분 등의 이유에 의해 엔진의 회전수가 상승해 가지 않으면, 엔진의 연소실의 연료 가스 농도가 높아져, 이상 연소 또는 실화가 발생한다. 본 발명은 상술한 구성에 의해, 상기 엔진 회전수에 대응하여 상한값을 선정함으로써, 이러한 이상 연소 또는 실화를 방지할 수 있다.

예를 들어, 엔진 회전수가 아이들링 회전수 이하인 기동 시에 있어서 가스 농도의 변동 등의 연료 가스의 불안정화에 의해 엔진 회전수가 원하는 대로 상승하지 않는 경우에 있어서도, 거버너 액추에이터의 조작량은 상기 상한값 이하로 억제할 수 있으므로, 실화 등의 발생을 용이하게 방지할 수 있다.

한편, 거버너 액추에이터의 조작량이 상기 상한값 이하에서는, 연료 가스 농도에 따라, 거버너 출력 증가율 설정부가 연료 가스 유량의 증가율을 제어하므로, 단시간에 안정된 아이들링 회전이 얻어진다.

또한, 본 발명에 있어서 바람직하게는, 상기 연료 가스의 가스 농도와 상기 가스 엔진의 회전수에 따라, 상기 조작량의 상한값이 규정된 제2 맵을 갖고, 상기 상한 레벨 설정부는, 상기 가스 농도 검지 수단에 의해 검지된 가스 농도에 대응하는 상한값을 상기 제2 맵으로부터 판독하여, 상기 조작량의 상한값을 설정하는 것을 특징으로 한다.

이러한 구성에 의해, 연료 가스 농도에 대응하여 상기 거버너 액추에이터의 조작량의 상한값을 맵에 의해 적절하게 설정하므로, 제어를 신속히 행할 수 있고, 단시간에 안정된 아이들링 회전이 얻어진다.

또한, 본 발명에 있어서 바람직하게는, 상기 제2 맵은, 상기 주실(主室) 가스에 의한 운전 개시에 대응하는 회전수와 아이들링에 대응하는 회전수 사이에 상기 상한값을 갖고, 상기 회전수의 증가에 대응시켜 상기 상한값을 증가시키는 선도가 규정되어 있으면 좋다.

이러한 구성에 의해, 엔진 정지로부터 아이들링까지의 회전수의 상승에 수반하여 치밀하게 상기 상한값을 설정할 수 있고, 단시간에 안정된 아이들링 회전이 얻어질 뿐만 아니라, 세밀하게 제어하므로, 연료의 낭비도 없앨 수 있는 효과를 갖고 있다.

또한, 이상 설명한 가스 공급 제어 장치 중 어느 하나를 구비한 가스 엔진을 구비한 것을 특징으로 하는 것도 본 발명의 특징이다.

이상 기재한 바와 같이 본 발명에 따르면, 연료 가스 농도에 따라 거버너 액추에이터를 동작시킬 수 있으므로, 단시간에 안정된 아이들링 회전이 얻어진다. 또한, 이상 연소, 실화 등의 발생을 용이하게 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 형태에 관한 가스 엔진의 연료 제어계의 개략도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시 형태에 관한 가스 엔진의 연료 제어 장치에 있어서의 거버너 컨트롤러의 제어 블록도를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시 형태에 관한 연료 제어 장치의 제어 흐름도를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시 형태에 관한 가스 엔진 기동 후에 있어서의 엔진 회전수의 변화와, 거버너 액추에이터 출력의 변화를 나타내는 선도이다.
도 5는 본 발명의 실시 형태에 관한 가스 농도와 엔진 회전수에 대응한 거버너 출력 증가율의 출력 맵 개념도를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 엔진 회전수에 대응한 연료 가스 상한 레벨의 출력 맵 개념도를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 실시 형태에 관한 엔진 회전수에 대한 거버너 액추에이터의 연료 가스 상한 레벨의 설명 개념도를 나타낸다.
도 8은 종래 기술에 있어서의 연료 제어계의 개략도를 나타낸다.
도 9는 종래 기술에 있어서의 가스 엔진 기동 후에 있어서의 엔진 회전수의 변화와, 거버너 액추에이터 출력의 변화를 나타내는 선도이다.

이하, 본 발명을 도면에 나타낸 실시 형태를 이용하여 상세하게 설명한다.

단, 이 실시 형태에 기재되어 있는 구성 부품의 치수, 재질, 형상, 그 상대 배치 등은 특별히 특정적인 기재가 없는 한, 본 발명의 범위를 그것만으로 한정하는 취지가 아니라, 단순한 설명예에 지나지 않는다.

도 1은 본 발명의 실시 형태에 관한 가스 엔진의 연료 제어계의 개략도를 나타낸다.

도 1에 있어서, 부호 1은 가스 엔진(이후「엔진」이라 약칭함), 부호 2는 상기 엔진(1)의 크랭크축, 부호 3은 연료 가스 공급부(6)에 저류된 연료 가스를 엔진(1)에 공급하는 연료 가스 관로, 부호 4는 상기 연료 가스 관로(3)에 설치되고, 엔진(1)에의 연료 가스 공급량을 조정하는 가스 유량 조정 밸브, 부호 7은 연료 가스 관로(3)에 설치되고, 또한, 가스 유량 조정 밸브(4)의 상류측에서, 연료 가스 공급부(6)와의 사이에 배치된 가스 농도 검지 수단인 가스 농도 검지부, 부호 20은 엔진(1)의 회전수 및 출력을 제어하는 전자 거버너, 부호 8은 엔진 전체를 제어하는 엔진 컨트롤 유닛 ECU(이후「ECU」라 약칭함)이다. 또한, 전자 거버너(20) 내에 배치되어 있는 부호 10은 거버너 컨트롤러, 부호 21은 상기 가스 유량 조정 밸브(4)를 구동하는 거버너 액추에이터, 부호 5는 엔진의 회전수를 검출하여, 검출 신호를 ECU(8)와 거버너 컨트롤러(10)에 출력하는 회전수 검출기이다.

도 2에 나타내는 바와 같이, 거버너 컨트롤러(10)에는, 엔진(1)의 기동으로부터 아이들링 회전수까지의 사이에 시간과 함께 회전수를 상승시키기 위한 제어 설정을 행하는 변이점 회전수 설정부(12)와, 회전수 검출기(5)로부터의 검출값(엔진 회전수)과 변이점 회전수 설정부(12)에서 설정한 회전수를 비교하는 회전수 비교부(11)와, 거버너 출력 증가율을 설정하는 거버너 출력 증가율 설정부(14)와, 회전수 비교부(11)의 결과에 기초하여 거버너 출력을 변경하는 거버너 출력 증가율 변경부(13)와, 거버너 출력 증가율 변경부(13)의 결과에 기초하여, 거버너 액추에이터(21)의 조작량(조작량)을 연산하는 액추에이터 조작량 연산부(15)를 갖고 있다.

ECU(8) 중에는, 가스 농도 검출부인 가스 농도 검출기(7)의 검출값 및 엔진 회전수를 검출하는 회전 검출기(5)에 기초하여 거버너 출력 증가율 α를 추출하는 거버너 출력 증가율 맵(16)과, 변이점 회전수 설정부(12)에 있어서 설정한 엔진 회전수에 대하여, 실제 회전수가 상승하지 않는 경우에, 설정한 변이점 회전수에 대응한 연료 가스 상한 레벨 SLi를 추출하여, 액추에이터 조작량 연산부(15)에 병설되어 있는 판단부(18)에 출력하는 연료 가스 상한 레벨 맵(17)이 배치되어 있다.

그리고 연료 가스 상한 레벨 맵(17)으로부터 추출된 연료 가스 상한 레벨 SLi는, 액추에이터 조작량 연산부(15)에 배치되어 있는 판단부(18)에 출력된다. 판단부(18)는 액추에이터 조작량 연산부(15)에서 연산한 조작량이 설정된 회전수에 대응한 연료 가스 상한 레벨을 초과하였는지 여부를 판단하고, 초과한 경우에는 판단부(18)에 배치되어 있는 상한 레벨 설정부(181)에 의해 액추에이터 조작량 연산부(15)의 출력을 제한한다. 초과하지 않는 경우에는, 액추에이터 조작량 연산부(15)의 출력이 거버너 액추에이터(21)에 출력된다.

액추에이터 조작량 연산부(15) 및 상한 레벨 설정부(18)의 결과에 기초하여, 거버너 액추에이터(21)가 연료 가스 관로(3)에 설치된 가스 유량 조정 밸브(4)를 조작하여, 엔진(1)에의 연료 가스 유량을 제어하도록 되어 있다.

도 4는 엔진(1)에 있어서의 기동으로부터 아이들링 회전 N3까지의 작동 개요를 나타내는 것으로, 횡축에 시간 t, 종축은 횡축을 기준으로 상측이 엔진 회전수 N(rpm), 하측이 거버너 액추에이터 출력 S를 나타낸 것이다.

본 실시 형태에서는, 변이점 회전수 설정부(12)에 의해 기동으로부터 아이들링 회전수 N3까지 회전수 변이점 위치를 2개소(N1, N2) 설정한 경우를 나타낸다.

기동 시, 어느 회전수 위치 t0까지는 시동 공기에 의한 회전수의 상승이 행해진다.

t0의 위치로부터 주실 가스 공급이 개시(도 4 a점)된다. 거버너 액추에이터(21)의 a점의 출력 S1로부터 스타트하여, 거버너 액추에이터 출력은 시간과 함께 b점까지 거버너 출력 증가율 α1로 증가한다. 시간 (t1－t0) 후(t0이 기점)에 회전수 변이점 N1 위치에 있어서, 거버너 액추에이터(21)의 출력이 S1＋α1×(t1－t0)으로 되고, 엔진 회전수가 N1에 도달하면, 거버너 액추에이터의 출력은 거버너 출력 증가율 α2로 변화된다.

또한, 시간 t1의 Δt1 후의 t2에 있어서, 거버너 액추에이터(21)의 출력이 S1＋α1×(t1－t0)＋α2Δt1로 되고, 엔진 회전수가 N2까지 상승한다. N2에 도달하면, 거버너 액추에이터(21)의 출력은 거버너 출력 증가율 α3으로 변화된다.

t3 후에는 거버너 액추에이터(21)의 출력이 S1＋α1×(t1－t0)＋α2Δt1＋α3Δt2로 되고, 엔진 회전수 N이 N3으로 되어 아이들 회전수에 도달한다.

도 5는 거버너 출력 증가율 맵(16)이며, 가스 농도와 엔진 회전수(회전수 변이점)에 대응한 거버너 출력 증가율 α의 출력 맵 개념도를 나타내고, 가스 농도가 높으면 거버너 출력 증가율은 낮게, 가스 농도가 낮으면 거버너 출력 증가율은 높게 되어 있다.

도 5에 있어서 가스 농도는 β3＞β2＞β1의 순서로 되어 있다.

이 데이터가 거버너 출력 증가율 설정부(14)에 입력되고, 거버너 출력 증가율 변경부(13), 액추에이터 조작량 연산부(15)를 거쳐, 거버너 액추에이터(21)를 조작하여, 가스 유량 조정 밸브(4)가 가스 유량 조정을 실시한다.

그런데 도 4에 있어서, 엔진 회전수 N이 t1을 경과해도, Ne 이상으로 상승하지 않는 경우가 생각된다. 원인으로서는 불완전 연소, 연료와 흡입 공기의 공연비가 적정으로 되어 있지 않은 등의 문제가 발생하는 것이 있다.

그 경우, 엔진 회전수는 Ne의 회전수를 유지한 상태에서, 거버너 액추에이터의 출력은 시간 경과에 의해, S1＋α1×(t3－t0)(t3 시점에서는)으로 되고 엔진 연소실에 연료 가스의 공급이 계속된다. 그 결과, 연소실은 연료 가스의 과농화가 진행된다.

예를 들어, 기동 시, 시동 공기에 의한 회전 상승 N0(N제로) 후 엔진(1)의 주실 가스에 의한 운전이 개시(t0) 후, 시간 t1이 경과(도 4 참조)해도 엔진 회전수가 Ne로부터 상승하지 않는 경우, 거버너 액추에이터 출력은 a점으로부터 e점(도 7)까지 출력은 S1＋α1×(t3－t0)(t3 시점에서는)으로 되고, 엔진 연소실에 거버너 액추에이터 출력(S1＋α1×(t3－t0))에 비례하여 연료 가스의 공급의 증가가 계속된다. 따라서 본 발명은 도 7에 나타내는 바와 같이, 상한 레벨 설정값인 e점 이상의 출력을 하지 않도록 출력 제한값을 액추에이터 조작량 연산부(15)에 배치한 판단부(18)의 상한 레벨 설정부(181)에 의해 액추에이터 조작량 연산부(15)의 조작량을 제한하는 제어를 실시한다.

그 판단부(18)는 ECU(8) 내에 배치된 연료 가스 상한 레벨 맵(17)에 기초하여 제어한다.

상한 레벨 설정값은, 도 6에 나타내는 바와 같이, 연료 가스 농도마다, 엔진 회전수 N(회전수 변이점)에 대응한 연료 가스 상한 레벨 SLi를 실험 등에 의해 구하고, 연료 가스 상한 레벨 맵(17)을 작성하고, 이것을 ECU(8)에 저장하고 있다(도 2 참조).

도 6은 연료 가스 상한 레벨을 정하는 연료 가스 상한 레벨 맵(17)의 개념도를 나타내고, 엔진 회전수(회전수 변이점)마다, 가스 농도가 높으면 연료 가스 상한 레벨은 낮게, 가스 농도가 낮으면 연료 가스 상한 레벨은 높게 되어 있다.

도 6에 있어서 가스 농도는 γ3＞γ2＞γ1의 순서로 되어 있다.

또한, 연료 가스 상한 레벨(파선)은 이상 연소, 실화가 발생하는 공연비에 대하여, 여유를 가진 값으로 되어 있다.

도 7에 본 실시 형태에 관한 엔진 회전수에 대한 거버너 액추에이터의 연료 가스 상한 레벨의 설명 개념도를 나타낸다.

기동 시, 시동 공기에 의한 회전 상승 N0(N제로) 후, 엔진(1)의 주실 가스에 의한 운전이 개시(t0) 후, 거버너 액추에이터(21)의 출력은 a점으로부터 b점까지 α1로 진행된다. 엔진 회전수가 Ne 이상 상승하지 않는 경우에는, 거버너 연료 가스 상한 레벨은 S1과 SL1 사이의 SLe까지로 되고, 그 이상의 출력을 하지 않도록 되어 있다.

그리고 a점으로부터 b점까지 α1로 순조롭게 엔진 회전수 N이 상승하였지만, b점으로부터 c점까지의 사이에서, 엔진 회전수가 N2에 도달하지 않고, Nf 이상으로 상승하지 않는 경우에는, 거버너 연료 가스 상한 레벨은 SL1과 SL2 사이의 SLf까지로 되고, 그 이상의 출력을 하지 않도록 되어 있다.

도 2의 설명에서는 거버너 출력 증가율 맵(16), 연료 가스 상한 레벨 맵(17)으로부터 각각의 가스 농도에 대응한 선도를 취출하고, 그 후 선도로부터 엔진 회전수에 따라 증가율 α, 상한 레벨 SL을 설정하도록 설명하였지만, 가스 농도 검출과 회전수에 기초하여 상기 맵으로부터 직접 증가율 α, 상한 레벨 SL을 추출하도록 해도 된다.(도 3의 제어 흐름도에서는 그와 같이 설명하고 있음.)

도 3은 본 실시 형태의 제어 흐름도를 나타내고, 스텝 S1로부터 개시하여, 스텝 S2에 있어서, 변이점 회전수 설정부(12)에서 증가율 α 및 상한 레벨 SL을 단계적으로 변화시키기 위한 회전수 변이점 N1, N2…를 미리 설정해 둔다.

그 후 스텝 S3에서 연료 가스의 가스 농도(예를 들어 메탄「CH₄」의 농도)를 검출하여 ECU(8)에 출력한다. 스텝 S4에서 엔진 회전수(rpm)를 검출하여 ECU(8)에 출력한다.(또한 스텝 S2, S3의 순서는 불문함) 스텝 S5에서 가스 농도％와 엔진 회전수 N에 기초하여 거버너 출력 증가율 맵(16)에서 거버너 출력 증가율 α를 추출하여, 거버너 출력 증가율 설정부(14)에 출력한다. 스텝 S6에 있어서 거버너 출력 증가율 설정부(14)가 거버너 출력 증가율 α를 결정한다. 스텝 S7에서, 회전수 변이점 N1과 실제 회전수를 비교한다. 회전수 변이점 N1＞실제 회전수의 경우에는 예를 선택하여 스텝 S8로 진행한다.[실제 엔진 회전수가 회전수 변이점 설정부(12)에서 설정한 구간 (N0∼N1)에 들어가 있는 경우]

또한, 회전수 변이점 N1＜실제 회전수의 경우[실제 엔진 회전수가 회전수 변이점 설정부(12)에서 설정한 구간 (N0∼N1)→(N1∼N2)로 이행하고 있는 경우]에는 아니오를 선택하여 스텝 S14로 진행하고, 스텝 S14에서 거버너 출력 증가율을 α1→α2로 변경하여 스텝 S6으로 복귀된다.

회전수 변이점 N1＞실제 회전수의 경우에 스텝 S8에서는 액추에이터 조작량 연산부(15)에서 액추에이터 조작량의 연산을 행한다. 스텝 S9에 있어서, 연료 가스 상한 레벨과 연산된 액추에이터 조작량을 비교한다.

연료 가스 상한 레벨 SLi(여기는, S1로부터 SL1의 사이에서 선형 보간한 SLi로 됨)＞연산된 조작량의 경우에는, 연료 가스 상한 레벨 SLi에 도달하고 있지 않다고 판단하고, 예를 선택하여 스텝 S10으로 진행하고, 스텝 S10에 있어서는 연산된 조작량이 선정된다.

한편, 연료 가스 상한 레벨 SLi＜연산된 조작량의 경우에는, 연료 가스 상한 레벨 SLi에 도달하고 있다고 판단하고, 스텝 S11로 진행한다. 스텝 S11에 있어서는, 더 이상의 연료 가스 공급율을 증가시키는 것은 실화, 이상 연소 등을 초래하므로, 상한 레벨 설정부(18)가 작동하여, 연료 가스 제한값이 선정된다.

스텝 S12에 있어서, 스텝 S10, 또는 스텝 S11의 결과에 기초하여, 거버너 액추에이터(21)가 작동하고, 스텝 S13에서 가스 유량 조정 밸브(4)가 조작되어 엔진(1)에의 연료 가스 공급 제어가 행해진다.

상술한 바와 같이 함으로써, 엔진 기동으로부터 아이들링 회전수까지의 회전수 변이점마다, 연료 가스의 농도를 검지하여, 그 농도에 기초하여 거버너 출력 증가율을 변화시키는 동시에, 회전수 변이점마다 연료 가스 공급 한계값을 마련함으로써, 연소실에 있어서의 연료 가스의 과농 또는, 희박을 방지하여, 연료 가스의 이상 연소 또는 실화 등을 방지하고, 엔진 기동으로부터 아이들링 회전수까지의 회전수 상승을 빠르고 또한, 확실하게 실시할 수 있다.

또한, 탄광 가스 등의 연료 가스 농도가 변동하기 쉬운 연료 가스를 사용한 경우에 있어서도, 회전수 변이점 설정부(12)에서 설정한 구간 (N0∼N1), (N1∼N2), (N2∼N3)마다 연료 가스 공급 한계값을 마련함으로써, 메탄 가스 농도의 저하에 기인하는 실화뿐만 아니라, 낭비되는 연료 가스 배출이 억제되므로, 에너지 절약, 환경 등에 좋은 효과를 초래한다.

탄광 등의 갱내에서 발생하는 메탄 등을 연료 가스로서 직접 실린더(연소실) 내에 도입하고, 도입하는 연료 가스의 농도에 기초하여 연료 가스 도입량을 변화시켜, 엔진의 기동으로부터 아이들링 회전수까지의 회전수 상승을 확실하고 또한, 빠르게 실시할 수 있도록 하는 가스 엔진의 제어 장치에 이용되면 좋다.

1 : 엔진
3 : 연료 가스 관로
4 : 가스 유량 조정 밸브
5 : 회전 검출기
6 : 연료 가스 공급부
7 : 가스 농도 검지부
8 : ECU(엔진 컨트롤 유닛)
10 : 거버너 컨트롤러
12 : 회전수 변이점 설정부
13 : 거버너 출력 증가율 변경부
14 : 거버너 출력 증가율 설정부
15 : 액추에이터 조작량 연산부
16 : 거버너 출력 증가율 맵
17 : 연료 가스 유량 제한 맵
21 : 거버너 액추에이터

Claims

가스 농도가 변화되는 연료 가스를 사용하는 가스 엔진의 제어 장치이며,
상기 가스 엔진의 회전수를 검출하는 회전수 검출부와,
상기 연료 가스의 가스 농도를 검지하는 가스 농도 검지 수단과,
상기 가스 엔진에 상기 연료 가스를 공급하는 연료 가스 관로에 설치된 가스 유량 조정 밸브와,
상기 가스 유량 조정 밸브를 조작하는 거버너 액추에이터와,
상기 가스 엔진의 기동 시에 있어서, 상기 가스 농도 검지 수단에 의해 검지된 상기 연료 가스의 가스 농도에 따라 상기 거버너 액추에이터의 조작량을 연산하는 조작량 연산부를 구비하고, 상기 조작량 연산부가 연산한 조작량에 기초하여 거버너 액추에이터를 동작시키는 거버너 컨트롤러를 갖는 것을 특징으로 하는, 가스 엔진의 제어 장치.
제1항에 있어서, 상기 연료 가스의 가스 농도에 따라 상기 가스 엔진의 기동 시에 있어서의 상기 거버너 액추에이터의 조작량의 증가율이 규정된 제1 맵을 갖고,
상기 거버너 컨트롤러는, 상기 가스 농도 검지 수단에 의해 검지된 상기 연료 가스의 가스 농도에 대응하는 상기 거버너 액추에이터의 조작량의 증가율을 상기 제1 맵으로부터 판독하는 거버너 출력 증가율 설정부를 구비하고,
상기 조작량 연산부는, 상기 증가율에 기초하여 상기 거버너 액추에이터의 조작량을 연산하는 것을 특징으로 하는, 가스 엔진의 제어 장치.
제2항에 있어서, 상기 제1 맵은, 상기 가스 엔진의 회전수에 따라 복수의 증가율이 규정되고,
상기 조작량 연산부는, 상기 회전수 검출부에 있어서 검출된 회전수에 대응하는 상기 증가율에 기초하여 상기 거버너 액추에이터의 조작량을 연산하는 것을 특징으로 하는, 가스 엔진의 제어 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 거버너 컨트롤러는,
상기 연료 가스의 가스 농도와 상기 회전수 검출부에 있어서 검출된 회전수에 따라 상기 거버너 액추에이터의 조작량의 상한값을 설정하는 상한 레벨 설정부와,
상기 조작량 연산부에서 연산한 조작량과, 상기 조작량의 상한값을 비교하고, 상기 조작량이 상기 상한값 이상인 경우에, 상기 상한값에 기초하여 상기 거버너 액추에이터를 조작하는 판단부를 구비한 것을 특징으로 하는, 가스 엔진의 제어 장치.
제4항에 있어서, 상기 연료 가스의 가스 농도와 상기 가스 엔진의 회전수에 따라, 상기 조작량의 상한값이 규정된 제2 맵을 갖고,
상기 상한 레벨 설정부는, 상기 가스 농도 검지 수단에 의해 검지된 가스 농도에 대응하는 상한값을 상기 제2 맵으로부터 판독하여, 상기 조작량의 상한값을 설정하는 것을 특징으로 하는, 가스 엔진의 제어 장치.
제5항에 있어서, 상기 제2 맵은, 상기 주실 가스에 의한 운전 개시에 대응하는 회전수와 아이들링에 대응하는 회전수 사이에 상기 상한값을 갖고, 상기 회전수의 증가에 대응시켜 상기 상한값을 증가시키는 선도가 규정되어 있는 것을 특징으로 하는, 가스 엔진의 제어 장치.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 제어 장치를 구비한, 가스 엔진.