WO2013061768A1

WO2013061768A1 - ガスエンジン、ガスエンジンを利用したガスヒートポンプ装置およびコージェネレーション装置、ならびにガスエンジンの制御方法

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Publication number: WO2013061768A1
Application number: PCT/JP2012/076119
Authority: WO
Inventors: 中園　徹; 大坪　弘幸; 宏年鬼原
Original assignee: Yanmar Co Ltd
Current assignee: Yanmar Co Ltd
Priority date: 2011-10-25
Filing date: 2012-10-09
Publication date: 2013-05-02
Anticipated expiration: 2014-04-25
Also published as: JP2013092082A; AU2012330248A2; CN103890355B; KR20140071451A; JP5848947B2; AU2012330248B2; US9790886B2; US20140311448A1; KR101883531B1; AU2012330248A1; CN103890355A

Abstract

ストイキ運転とリーン運転との切り替えをスムーズに行えるガスエンジン、それを利用したガスヒートポンプ装置およびコージェネレーション装置、ならびにガスエンジンの制御方法を提供する。高負荷時にはストイキ運転し、中低負荷時にはリーン運転するガスエンジン（１）であって、ガスエンジン（１）に空気と燃料ガスとの混合気を供給するバルブ（２）は、ストイキ運転を実現する一定の開口面積が確保され、ストイキ運転からリーン運転への切替運転終了までの間、経時的に一様に開口面積が減少し、リーン運転を実現する一定の開口面積が確保され、リーン運転からストイキ運転への切替運転終了までの間、経時的に開口面積が一様に増加する、ようにストイキ用バルブ部（２１）と、リーン用バルブ部（２２）とを直列でストイキ用バルブ部（２１）をミキサー（２４）側につなげてバルブの開口面積の制御を行うものである。

Description

ガスエンジン、ガスエンジンを利用したガスヒートポンプ装置およびコージェネレーション装置、ならびにガスエンジンの制御方法

　本発明は、ガスエンジン、それを利用したガスヒートポンプ装置およびコージェネレーション装置、ならびにガスエンジンの制御方法に関するものである。

　ガスヒートポンプ装置およびコージェネレーション装置の駆動源として、ガスエンジンが知られている。

　従来より、このようなガスエンジンとしては、ストイキ運転とリーン運転とを切り替えるようになされたものが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００－２４４６５号公報

　しかし、上記従来のガスエンジンのように、ストイキ運転とリーン運転とを切り替える場合、ストイキ運転において制御すべき理論空燃比の空気過剰率（λ＝１）に対して、リーン運転において制御すべき空気過剰率（λ＝１．４～１．６）は、制御領域に幅があり、両者の制御精度が大きく異なるため、リーン運転用の空燃比制御バルブでは、リーン運転からストイキ運転まで移行できたとしても、ストイキ運転において、理論空燃比の空気過剰率（λ＝１）を制御することができなかった。

　そのため、ストイキ運転用に設定した空燃比制御バルブを用いることが考えられるが、この場合は、ストイキ運転用に制御精度を設定しているので、リーン運転の領域まで空気過剰率を上げることはできなかった。

　また、ストイキ運転用の空燃比制御バルブとリーン運転用の空燃比制御バルブとの間の切り替えによって両運転をカバーすることが考えられるが、両バルブの制御精度が大きく異なるため、切り替え過程において、スムーズな移行ができない。特にガスエンジンの場合、ストイキ運転からリーン運転に移行する途中に、排気ガス中のＮＯ_Ｘの発生量が多くなる空気過剰率の領域（λ＝１～１．３）があるため、ストイキ運転とリーン運転との間のスムーズな移行ができなければ、一時的に排気ガス中のＮＯ_Ｘが高くなったり、ガスエンジンの回転数の変動が高くなったりするといった不都合を生じることとなる。

　本発明は、ストイキ運転とリーン運転との切り替えをスムーズに行うことができるガスエンジン、それを利用したガスヒートポンプ装置およびコージェネレーション装置、ならびにガスエンジンの制御方法を提供する。

　上記課題を解決するための本発明のガスエンジンは、エンジンの高負荷時にはストイキ運転し、中低負荷時にはリーン運転するガスエンジンであって、ガスエンジンに空気と燃料ガスとの混合気を供給するバルブは、ストイキ運転の空気過剰率を実現する一定の開口面積が確保され、ストイキ運転からリーン運転に切り替える際には、切り替え運転を終了するまでの間、時間の経過とともに一様に開口面積が減少して空気過剰率が上昇し、リーン運転の空気過剰率を実現する一定の開口面積が確保され、リーン運転からストイキ運転に切り替える際には、切り替え運転を終了するまでの間、時間の経過とともに開口面積が一様に増加して空気過剰率が減少する、ように開口面積制御が行われるものである。

　また、上記ガスエンジンにおいて、バルブは、ストイキ運転の空気過剰率を実現するストイキ用バルブ部と、リーン運転の空気過剰率を実現するリーン用バルブ部とを直列でストイキ用バルブ部をエンジン吸気側につなげてバルブの開口面積の制御を行うものである。

　ストイキ運転では、リーン用バルブ部を全開にし、ストイキ用バルブ部でバルブの開口面積の制御を行い、ストイキ運転からリーン運転に切り替える際は、ストイキ用バルブ部を全開にするとともに、リーン用バルブ部を閉じながらバルブの開口面積の制御を行うものであってもよい。

　リーン運転では、ストイキ用バルブ部を全開にし、リーン用バルブ部でバルブの開口面積の制御を行い、リーン運転からストイキ運転に切り替える際には、リーン用バルブ部を全開にするとともに、ストイキ用バルブ部を閉じながらバルブの開口面積の制御を行うものであってもよい。

　ストイキ運転からリーン運転に切り替える際またはリーン運転からストイキ運転に切り替える際に、ストイキ用バルブ部の開口面積とリーン用バルブ部の開口面積との合計を推定計算して開口面積の制御を行うものであってもよい。

　また、上記課題を解決するための本発明のガスヒートポンプ装置は、上記のガスエンジンを有するものである。

　さらに、上記課題を解決するための本発明のコージェネレーション装置は、上記ガスエンジンを有するものである。

　さらに、上記課題を解決するための本発明のガスエンジンの制御方法は、エンジンの高負荷時にはストイキ運転し、中低負荷時にはリーン運転するガスエンジンにおいて、ガスエンジンに空気と燃料ガスとの混合気を供給するバルブは、ストイキ運転の際には、当該ストイキ運転の空気過剰率を実現する一定の開口面積を確保し、ストイキ運転からリーン運転に切り替える際には、切り替え運転を終了するまでの間、時間の経過とともに一様に開口面積を減少させて空気過剰率を上昇させ、リーン運転の際には、当該リーン運転の空気過剰率を実現する一定の開口面積を確保し、リーン運転からストイキ運転に切り替える際には、切り替え運転を終了するまでの間、時間の経過とともに開口面積を一様に増加させて空気過剰率を減少させる、ように開口面積制御を行うものである。

　以上述べたように、本発明によると、一時的にＮＯ_Ｘが高くなったり、エンジンの回転数の変動が高くなったりすることを防止することができる。

　また、高負荷が必要な場合にはストイキ運転を行い、中低負荷時はリーン運転を行うことができ、対応可能な負荷の範囲が広がるので、ガスヒートポンプ装置やコージェネレーション装置などの各種設備装置にこのガスエンジンを使用する場合、小排気量であっても最適なガスエンジンを使用することが可能となり、コストの低減および省エネルギーを図ることができる。

　したがって、このようなガスエンジンを使用したガスヒートポンプ装置は通年エネルギー消費効率（ＡＰＦ）の向上を図ることができるとともに、コージェネレーション装置についても総合的なエネルギー効率の向上を図ることができる。

本発明に係るガスエンジンの全体構成の概略を示すブロック図である。本発明に係るガスエンジンのストイキ運転からリーン運転へと移行する際のバルブ開口面積の変化を示すグラフである。本発明に係るガスエンジンのリーン運転からストイキ運転へと移行する際のバルブ開口面積の変化を示すグラフである。本発明に係るガスエンジンのリーン運転からストイキ運転へと移行する際の移行時間と回転数変動との関係を示すグラフである。

　以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。

　図１はガスエンジン１の全体構成の概略を示すブロック図を示し、図２は同ガスエンジン１によりストイキ運転からリーン運転へと移行する際のバルブ開口面積の変化を示し、図３は同ガスエンジン１によりリーン運転からストイキ運転へと移行する際のバルブ開口面積の変化を示している。

　このガスエンジン１は、高負荷時にはストイキ運転し、中低負荷時にはリーン運転するガスエンジン１であって、バルブ２は、ミキサー２４からレギュレータ２３にかけてストイキ運転の空気過剰率を実現するストイキ用バルブ部２１と、リーン運転の空気過剰率を実現するリーン用バルブ部２２とを直列でストイキ用バルブ部２１をミキサー２４側につなげてレギュレータ２３とミキサー２４との間に設けて構成している。

　ストイキ用バルブ部２１は、理論空燃比となる空気過剰率（λ＝１）をピンポイントで制御するために、燃料ガスが通過する開口面積を調整できるように設計された比例制御弁によって構成されている。このストイキ用バルブ部２１は、開度０－１００％のうちの所定開度の範囲で、理論空燃比となる空気過剰率（λ＝１）を制御することができる流量特性のものであれば特に限定されるものでは無いが、ガスエンジン１を使用する環境雰囲気温度やガスエンジン１の使用回転数域の変化に対応する必要があるため、これらの変化に追従して理論空燃比となる空気過剰率（λ＝１）を制御可能な流量特性を有する精度のものが使用される。

　リーン用バルブ部２２は、リーン燃焼となる空気過剰率の範囲（λ＝１．４～１．６）を制御するために、燃料ガスの通過経路２０の開口面積を調整できるように設計され、かつ、開度１００％の状態で、燃料ガスの通過通路２０を完全に開くことができるように設計された流量特性の比例制御弁によって構成されている。すなわち、このリーン用バルブ部２２は、上記したストイキ用バルブ２１に供給されるガスの上流側、つまり、レギュレータ２３と、ストイキ用バルブ２１との間に設けられるため、開度１００％の全開状態で、ストイキ用バルブ部２１による理論空燃比となる空気過剰率（λ＝１）の制御を邪魔しないように開口しなければならない。したがって、リーン用バルブ部２２は、開度０－１００％のうちのある所定開度範囲で、リーン燃焼となる空気過剰率の範囲（λ＝１．４～１．６）を制御できるように設計されており、かつ、開度１００％の状態で、燃料ガスの通過通路２０を完全に開いて、ストイキ用バルブ部２１による理論空燃比となる空気過剰率（λ＝１）の制御を邪魔しないように開口し、ストイキ用バルブ部２１の制御領域と一部重複するようになされている。

　レギュレータ２３は、常に一定の圧力で燃料ガスを供給できるように、燃料ガスの圧力を制御するようになされている。

　ミキサー２４は、燃料ガスと空気とを混合するベンチュリ管によって構成されている。このミキサー２４は、下流側に設けられたスロットル弁２５の開度に応じて吸入される空気のベンチュリ効果で燃料ガスと空気とを混合するようになされている。

　上記構成のバルブ２は、ガスエンジン１のシリッダヘッド１０の吸気口１１に接続される。このガスエンジン１には、排気ガス中の酸素濃度などを測定するセンサ（図示省略）が、排気経路などに設けられており、この測定検出結果に基づいて空気過剰率を測定するようになされている。ガスエンジン１は、制御部３により、このセンサ等による測定検出結果に基づいてバルブ２等の制御を行うことで、ストイキ運転とリーン運転とをスムーズに切り替えることができる。また、ストイキ運転では、排気ガス中のＮＯ_Ｘ濃度が高くなるが、排気経路に三元触媒を設けて還元処理される。

　次に、制御部３によるこのガスエンジン１の制御について説明する。

　まず、高出力を必要とする運転環境の場合、ストイキ運転が行われる。このストイキ運転は、理論空燃比の空気過剰率（λ＝１）となるように、ストイキ用バルブ部２１の開度を制御して行われる。この際、ストイキ用バルブ部２１は、開度を上げれば開口面積が増えて燃料ガス濃度が濃くなる、すなわち、空気過剰率が下がり、開度を下げれば開口面積が減って燃料ガス濃度が薄くなる、すなわち、空気過剰率が上がる。

　この際、リーン用バルブ部２２は、開度１００％の全開状態で、ストイキ用バルブ部２１による理論空燃比となる空気過剰率（λ＝１）の制御を邪魔しないように開口しておく。

　上記ストイキ運転から、高出力の必要が無い運転環境になった場合は、ストイキ運転から空気過剰率λ＝１．４～１．６のリーン運転へと切り替える。

　この切り替えを行うには、図２に示すように、ストイキ用バルブ部２１の開度を１００％の全開状態にまで上げてリーン用バルブ部２２による空気過剰率λ＝１．４～１．６の制御を邪魔しないように開口させる。この際、ストイキ用バルブ部２１による開口面積が増えて、空気過剰率は、低くなる方向に作用することになってしまうが、この開口面積の増加に同調させて、上記ストイキ運転を邪魔しないように全開していたリーン用バルブ部２２の開度を１００％から徐々に下げる。これによって、リーン用バルブ部２２の開口面積が減って、空気過剰率は、実質的に理論空燃比の空気過剰率（λ＝１）のままで、空気過剰率の制御は、ストイキ用バルブ部２１からリーン用バルブ部２２へと移行することとなる。なお、ストイキ用バルブ部２１の開口面積の増加にリーン用バルブ部２２の開口面積の減少を同調させるには、ストイキ用バルブ部２１の制御精度とリーン用バルブ部２２の制御精度とから、ストイキ用バルブ部２１の開度の変化により増大する開口面積の増加割合と、リーン用バルブ部２２の開度の変化により減少する開口面積の減少割合とが合致するように、ストイキ用バルブ部２１の開度の変化に対するリーン用バルブ部２２の開度の変化を推定計算して行う。

　その後、リーン用バルブ部２２の開度を制御することで、空気過剰率λ＝１．４～１．６のリーン運転へと切り替えることができることとなる。この際、空気過剰率λ＝１．４～１．６のリーン運転への移行は、既に理論空燃比の空気過剰率（λ＝１）の領域で、ストイキ用バルブ部２１の制御からリーン用バルブ部２２の制御へと移行しているので、スムーズに行うことができる。したがって、ＮＯ_Ｘの発生量が多くなる空気過剰率領域（λ＝１～１．３）をスムーズに通過して運転切り替えによるＮＯ_Ｘの発生量を最低限に抑えることができる。

　上記リーン運転から、高出力が必要な運転環境になった場合は、空気過剰率λ＝１．４～１．６のリーン運転から、再度、理論空燃比となる空気過剰率（λ＝１）のストイキ運転へと切り替える。

　この切り替えを行うには、図３に示すように、リーン用バルブ部２２の開度を１００％の全開状態にまで上げてストイキ用バルブ部２１による空気過剰率（λ＝１）の制御を邪魔しないように開口させる。この際、リーン用バルブ部２２による開口面積が増えて、空気過剰率は、低くなる方向に作用するが、開度が１００％になる手前で理論空燃比となる空気過剰率（λ＝１）に達してしまうので、それより開度を上げると、理論空燃比となる空気過剰率（λ＝１）よりもさらに空気過剰率が低下してしまう。そこで、理論空燃比となる空気過剰率（λ＝１）よりもさらに空気過剰率が低下してしまう領域では、リーン用バルブ部２２の開口面積の増加に同調させて、上記リーン運転を邪魔しないように全開していたストイキ用バルブ部２１の開度を１００％から徐々に下げる。これによって、ストイキ用バルブ部２１の開口面積が減って、空気過剰率は、実質的に理論空燃比の空気過剰率（λ＝１）のままで、空気過剰率の制御は、リーン用バルブ部２２からストイキ用バルブ部２１へと移行することとなる。この場合も、リーン用バルブ部２２の開口面積の増加にストイキ用バルブ部２１の開口面積の減少を同調させるには、リーン用バルブ部２２の制御精度とストイキ用バルブ部２１の制御精度とから、リーン用バルブ部２１の開度の変化により増大する開口面積の増加割合と、ストイキ用バルブ部２１の開度の変化により減少する開口面積の減少割合とが合致するように、リーン用バルブ部２２の開度の変化に対するストイキ用バルブ部２１の開度の変化を推定計算して行う。この際、理論空燃比（λ＝１）の領域までの移行は、リーン用バルブ部２２によって行い、理論空燃比となる空気過剰率（λ＝１）の領域で、リーン用バルブ部２２の制御からストイキ用バルブ部２１の制御へと移行するので、空気過剰率λ＝１．４～１．６のリーン運転の領域から理論空燃比の空気過剰率（λ＝１）の領域までの移行を、スムーズに行うことができる。したがって、ＮＯ_Ｘの発生量が多くなる空気過剰率領域（λ＝１～１．３）をスムーズに通過して運転切り替えによるＮＯ_Ｘの発生量を最低限に抑えることができる。

　また、図４に示すように、空気過剰率λ＝１．４～１．６のリーン運転の領域から理論空燃比となる空気過剰率（λ＝１）の領域までの移行を行う際、急激に短時間で切替を行うと、回転数変動を生じてガスエンジン１とその被駆動物を傷めてしまうこととなる。本願発明の場合は、この移行時間については、リーン用バルブ部２２の制御によって自由に設定できるので、ガスエンジン１等を傷めることの無いように、ガスエンジン１の回転変動が所定の閾値Ａ以下となる切替時間をかけて行うことができる。

　その後、ストイキ用バルブ部２１の開度を制御することで、理論空燃比となる空気過剰率（λ＝１）のストイキ運転を制御することができることとなる。この際、ストイキ運転の領域では、リーン用バルブ部２２の制御からストイキ用バルブ部２１の制御へと移行しているので、優れた制御精度で理論空燃比となる空気過剰率（λ＝１）の制御を行うことができる。

　さらに、ストイキ制御時は、リーン制御時と対比してバルブの応答速度を速くする必要があるところ、ストイキ用バルブ部２１をリーン用バルブ部２２よりもミキサー２４に近い側に配置しているので、ストイキ用バルブ部２１とミキサー２４とき距離が近くなり滞留ガスを減らせられるので制御遅れを小さくできる。

　このようにして構成されるガスエンジン１は、リーン運転からストイキ運転に切り替える場合、あるいはその逆の場合、ＮＯ_Ｘの発生量が多くなる空気過剰率領域（λ＝１～１．３）をスムーズに通過して運転切り替えによるＮＯ_Ｘの発生量を最低限に抑えることができるとともに、回転数の変動によるガスエンジン１の損傷を防止することができる。

　また、理論空燃比となる空気過剰率（λ＝１）でのピンポイントの制御精度が要求されるストイキ運転では、ストイキ用バルブ部２１によって制御を行い、リーン運転を行うリーン用バルブ部２２との切替により、リーン運転とストイキ運転とを両立させることができる。

　このようにして構成されるガスエンジン１は、ガスヒートポンプ装置（図示省略）の駆動源として好適に使用することができる。すなわち、ガスヒートポンプ装置は、冬場や夏場は高負荷が必要とされるが、春や秋の季節には中低負荷で十分対応できる。しかも、ガスエンジン１は、高負荷が必要とされる場合は、複数台のコンプレッサーを駆動しており、逆に低負荷の場合は、一台のコンプレッサーを駆動しているのか通常である。したがって、このガスエンジン１を使用したガスヒートポンプ装置は、中低負荷の場合には、リーン運転を行い、高負荷が必要となった場合にはストイキ運転に切り替えて対応することができるので、小排気量のガスエンジン１を使用してコストの低減を図ることができる。

　また、高負荷時には、ストイキ運転するため熱効率は低下するが、複数台のコンプレッサーを駆動したりすることで機械効率が高くなるので、熱効率は、中低負荷時のリーン運転と同等となる。当然、この中低負荷時の熱効率は、リーン運転するため優れている。したがって、通年エネルギー消費効率（ＡＰＦ）の高効率化を図ることができることとなる。

　また、このガスエンジン１は、コージェネレーション装置（図示省略）の駆動源としても好適に使用することができる。すなわち、コージェネレーション装置は、通常運転時はリーン運転を行い、高負荷となる熱主運転に切り替える際に、ストイキ運転を行うことで、省エネルギー化を図ることができる。

　なお、本発明は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、ほかのいろいろな形で実施することができる。そのため、上述の実施例はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示すものであって、明細書本文には、なんら拘束されない。さらに、特許請求の範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。

　本発明に係るガスエンジンは、各種省エネルギー設備の駆動源に用いられる。

１　ガスエンジン
２　バルブ
２１　ストイキ用バルブ部
２２　リーン用バルブ部
２３　レギュレータ
２４　ミキサー

Claims

　エンジンの高負荷時にはストイキ運転し、中低負荷時にはリーン運転するガスエンジンであって、
　ガスエンジンに空気と燃料ガスとの混合気を供給するバルブは、
　ストイキ運転の空気過剰率を実現する一定の開口面積が確保され、
　ストイキ運転からリーン運転に切り替える際には、切り替え運転を終了するまでの間、時間の経過とともに一様に開口面積が減少して空気過剰率が上昇し、
　リーン運転の空気過剰率を実現する一定の開口面積が確保され、
　リーン運転からストイキ運転に切り替える際には、切り替え運転を終了するまでの間、時間の経過とともに開口面積が一様に増加して空気過剰率が減少する、
　ように開口面積制御が行われることを特徴とするガスエンジン。
　バルブは、ストイキ運転の空気過剰率を実現するストイキ用バルブ部と、リーン運転の空気過剰率を実現するリーン用バルブ部とを直列でストイキ用バルブ部をエンジン吸気側につなげてバルブの開口面積の制御を行う請求項１記載のガスエンジン。
　ストイキ運転では、リーン用バルブ部を全開にし、ストイキ用バルブ部でバルブの開口面積の制御を行い、
　ストイキ運転からリーン運転に切り替える際は、ストイキ用バルブ部を全開にするとともに、リーン用バルブ部を閉じながらバルブの開口面積の制御を行う請求項２記載のガスエンジン。
　リーン運転では、ストイキ用バルブ部を全開にし、リーン用バルブ部でバルブの開口面積の制御を行い、
　リーン運転からストイキ運転に切り替える際には、リーン用バルブ部を全開にするとともに、ストイキ用バルブ部を閉じながらバルブの開口面積の制御を行う請求項２記載のガスエンジン。
　ストイキ運転からリーン運転に切り替える際またはリーン運転からストイキ運転に切り替える際に、ストイキ用バルブ部の開口面積とリーン用バルブ部の開口面積との合計を推定計算して開口面積の制御を行う請求項３または４記載のガスエンジン。
　請求項１ないし５の何れか一記載のガスエンジンを有するガスヒートポンプ装置。
　請求項１ないし５の何れか一記載のガスエンジンを有するコージェネレーション装置。
　エンジンの高負荷時にはストイキ運転し、中低負荷時にはリーン運転するガスエンジンにおいて、
　ガスエンジンに空気と燃料ガスとの混合気を供給するバルブは、
　ストイキ運転の際には、当該ストイキ運転の空気過剰率を実現する一定の開口面積を確保し、
　ストイキ運転からリーン運転に切り替える際には、切り替え運転を終了するまでの間、時間の経過とともに一様に開口面積を減少させて空気過剰率を上昇させ、
　リーン運転の際には、当該リーン運転の空気過剰率を実現する一定の開口面積を確保し、
　リーン運転からストイキ運転に切り替える際には、切り替え運転を終了するまでの間、時間の経過とともに開口面積を一様に増加させて空気過剰率を減少させる、
　ように開口面積制御を行うことを特徴とするガスエンジンの制御方法。