WO2015107753A1

WO2015107753A1 - ガスエンジンの制御装置および制御方法ならびに制御装置を備えたガスエンジン

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Publication number: WO2015107753A1
Application number: PCT/JP2014/079160
Authority: WO
Inventors: 遼佐瀬; 恒高柳
Original assignee: 三菱重工業株式会社
Priority date: 2014-01-14
Filing date: 2014-11-04
Publication date: 2015-07-23
Also published as: JP2015132206A

Abstract

簡素な構成により、急激な負荷増大によるガスエンジンの回転数低下を抑制する。制御装置（５１）は、エンジン回転数と目標エンジン回転数との偏差から、エンジン回転数を一定に保つために必要な要求ガス流量（Qg_d）を演算する要求ガス流量演算部（５４）と、要求ガス流量（Qg_d）に応じてスロットル弁開度を演算するスロットル弁開度演算部（５５）と、エンジン回転数、吸気圧力、吸気温度、エンジン排気量等から混合気流量（Qm）を演算する混合気流量演算部（５６）と、混合気流量（Qm）と、定常運転時における目標空気過剰率（λ）とから、目標空気過剰率（λ）に一致させるために必要なガス流量指令値（Qg_t）を演算するガス流量指令値演算部（５７）と、要求ガス流量（Qg_d）がガス流量指令値（Qg_t）よりも大きい場合には、要求ガス流量（Qg_d）＝ガス流量指令値（Qg_t）となるように目標空気過剰率（λ）を下方修正する修正演算部（５８）とを備える。

Description

ガスエンジンの制御装置および制御方法ならびに制御装置を備えたガスエンジン

　本発明は、負荷の増大により回転数が低下することを抑制するようにしたガスエンジンの制御装置および制御方法ならびに制御装置を備えたガスエンジンに関するものである。

　自家発電装置等、商用電力系統と連係していない単独運転の発電用エンジンでは、エンジン回転数がそのまま電源周波数となるため、電源周波数を一定に保つためにはエンジン回転数を一定に保つ制御を行う必要がある。同時に、高効率化や排ガス規制値達成のために空燃比（空気と燃料の比）を一定に保つことも必要である。

　燃料としてＬＰＧ等のガスを使用するガスエンジンの制御に関しては、これまでに様々な制御手法が検討されているが、代表的なものとして、負荷変動に対する応答性向上を主な目的としてスロットル弁でエンジン回転数の制御を行い、ガス流量調節弁で空燃比制御行う手法が知られている。即ち、エンジン回転数が目標回転数と一致するようにスロットル弁開度を調整した上で、空燃比が目標値と一致するようにガス流量指令値を決める方法である。

　この制御方法では、小さな負荷変動に対しては良好な応答性が得られるものの、スロットルが過渡的に全開となるような大きな負荷増加に対しては、エンジン回転数が大きく低下してしまう問題がある。これは、スロットルが大きく開きスロットル前後の差圧が小さくなると、それ以上スロットルを開いても混合気流量を増加させることが不可能となるため、シリンダに流入するガスの量を増やすことができずにエンジン出力が不足することが原因である。

　この現象により、単独運転時にエンジン回転数が大きく低下した場合には電源周波数が低下するため、接続されている電気機器に悪影響を与える可能性がある。この問題を解決するために以下のような手法が知られている。

　公知の手法として、スロットル弁開度に余裕を持たせて運転する手法がある。この手法は、負荷変動に備えてスロットルを絞り加減での運転とし、スロットル弁開度の制御代を確保しておく手法である。しかし、この手法では、定常運転時にスロットルを絞っておくために絞りによる圧力損失が増加し、エンジンの発電効率（燃費）が悪化する問題がある。

　また、特許文献１では、予めスロットル弁の流量特性を把握しておき、スロットル弁開度が大きい部分において流量が増加しない非線形性を補償するようにガス流量を増やす手法が提案されている。

　一方、スロットルバルブによって出力を制御する自動車用エンジンでは、負荷増加時（加速時）に燃料を濃くする制御が一般的に行われている。この制御では、アクセル開度、エンジン回転数等を入力とするマップに燃料噴射量を記憶しておき、負荷が大きい運転領域において、燃料を濃くするように設定されているものである。

特許第４１４２４７７号公報

　しかしながら、特許文献１に提案されている制御方法では、スロットル弁の流量特性が環境条件や経年条件によって変化してしまうため、補償精度が問題となる可能性がある。

　一方、自動車用エンジンの制御方法では、エンジンが高負荷となるのは加速時や登坂時など一時的であるのに対して、発電用エンジンは高負荷での定常運転が基本となるため、発電用エンジンに高負荷で燃料を濃くする制御を適用した場合、定常的な燃費や排ガス性能が悪化する傾向となる。本発明が対象としている発電用エンジンでの課題は負荷の大きさ自体では無く、負荷投入量の大きさとそれに伴うエンジン回転数変動であるため、上述の自動車用エンジンの制御技術を適用することはできない。

　本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、簡素な構成により、エンジン負荷の増大によるエンジン回転数の低下を抑制することができるガスエンジンの制御装置および制御方法ならびに制御装置を備えたガスエンジンを提供することを目的とする。

　上記課題を解決するために、本発明に係るガスエンジンの制御装置は、ガス燃料により作動するガスエンジンにおいて、負荷変動に対するエンジン回転数の応答性を向上させるガスエンジンの制御装置であって、前記エンジン回転数と目標エンジン回転数との偏差から、前記エンジン回転数を一定に保つために必要な要求ガス流量を演算する要求ガス流量演算部と、前記要求ガス流量に応じてスロットル弁開度を演算するスロットル弁開度演算部と、前記エンジン回転数と、吸気圧力と、吸気温度と、エンジン排気量等から混合気流量を演算する混合気流量演算部と、前記混合気流量と、定常運転時における目標空気過剰率および／または目標空燃比とから、該目標空気過剰率および／または該目標空燃比に一致させるために必要なガス流量指令値を演算するガス流量指令値演算部と、前記要求ガス流量が前記ガス流量指令値よりも大きい場合には、要求ガス流量＝ガス流量指令値となるように前記目標空気過剰率および／または前記目標空燃比を下方修正する修正演算部と、を備えてなることを特徴とする。

　また、上記課題を解決するために、本発明に係るガスエンジンの制御方法は、ガス燃料により作動するガスエンジンにおいて、負荷変動に対するエンジン回転数の応答性を向上させるガスエンジンの制御方法であって、前記エンジン回転数と、目標エンジン回転数との偏差から、前記エンジン回転数を一定に保つために必要な要求ガス流量を演算する要求ガス流量演算ステップと、前記要求ガス流量に応じてスロットル弁開度を演算するスロットル弁開度演算ステップと、前記エンジン回転数と、吸気圧力と、吸気温度と、エンジン排気量等から混合気流量を演算する混合気流量演算ステップと、前記混合気流量と、定常運転時における目標空気過剰率および／または目標空燃比とから、該目標空気過剰率および／または該目標空燃比に一致させるために必要なガス流量指令値を演算するガス流量指令値演算ステップと、前記要求ガス流量と前記ガス流量指令値とを比較し、要求ガス流量＞ガス流量指令値となるか否かを判定する比較判定ステップと、前記比較判定ステップにおける判定結果が肯定判定である場合には、要求ガス流量＝ガス流量指令値となるように前記目標空気過剰率および／または前記目標空燃比を下方修正する下方修正ステップと、を備えてなることを特徴とする。

　上記構成のガスエンジンの制御装置およびガスエンジンの制御方法によれば、要求ガス流量演算部により、エンジン回転数を一定に保つために必要な要求ガス流量が演算され、この要求ガス流量に応じてスロットル弁開度演算部によりスロットル弁開度が演算される。また、混合気流量演算部により、混合気流量が演算される。

　さらに、ガス流量指令値演算部により、混合気流量と、定常運転時における目標空気過剰率または目標空燃比とから、該目標空気過剰率または該目標空燃比に一致させるために必要なガス流量指令値が演算される。そして、修正演算部により、要求ガス流量がガス流量指令値よりも大きい場合には、要求ガス流量がガス流量指令値と等しくなるように目標空気過剰率または目標空燃比が下方修正される。

　目標空気過剰率または目標空燃比が下がると、その分、ガス流量指令値が増加するため、混合気中のガス燃料の割合（空燃比）が増加し、エンジン出力が向上する。このため、エンジン負荷が増大した時にエンジン回転数が低下することを抑制することができる。

　上記の制御装置（制御方法）は、ソフトウエアの変更（プログラミング）のみで実施可能であり、ハードウエアの追加は不要であるため、構成が複雑化することがなく、簡素な構成を維持することができる。

　しかも、環境条件や経年条件によって変化してしまうスロットル弁の流量特性を無視して制御することができる。このため、従来のようにスロットル弁の流量特性を把握しておき、スロットル開度が大きい部分において流量が増加しない非線形性を補償するようにガス流量を増やす手法に比べて、スロットル弁の流量特性を、制御を容易且つ確実に行うことができる。

　また、本発明に係るガスエンジンの制御装置は、前記目標空気過剰率および／または前記目標空燃比が下方修正された時に、前記ガスエンジンの点火時期を遅延させる点火時期遅延部をさらに備えていてもよい。

　前記のように目標空気過剰率および／または目標空燃比が下方修正されて混合気中のガス燃料の割合（空燃比）が増加した時には、異常燃焼によるノッキングが起こりやすくなる。この時、点火時期遅延部により、エンジンの点火時期が遅延されるため、ノッキングの発生が抑制される。

　また、本発明に係るガスエンジンの制御装置は、前記ガス燃料の種別や成分に応じて前記目標空気過剰率および／または前記目標空燃比に燃料種別補正係数を付与する燃料種別補正部をさらに備えていてもよい。

　ガスエンジンに用いられるガス燃料は地域により種別や成分が異なるため、ガスエンジンにおける理論空燃比も変化する。これに対応するため、燃料種別補正部を設け、ガス燃料の種類に応じて目標空気過剰率や目標空燃比に補正係数をかけてやる。これにより、ガス燃料の種類に適合した目標空気過剰率や目標空燃比を演算することができ、上述のエンジン回転数低下を抑制する制御を安定的に行うことができる。

　また、本発明に係るガスエンジンは、上述した制御装置を備えたことを特徴とする。このため、簡素な構成により、エンジン負荷の増大によるエンジン回転数の低下量を抑制することができる。

　以上のように、本発明に係るガスエンジンの制御装置および制御方法ならびに制御装置を備えたガスエンジンによれば、簡素な構成により、エンジン負荷の増大によるエンジン回転数の低下を抑制することができる。
　このため、特に発電用エンジンに適用する場合においては、負荷の変動によってエンジン回転数、即ち電源周波数が変動してしまうことを防止することができる。

本発明に係る制御装置を適用可能な１段過給方式のガスエンジンの一例を示す概略構成図である。本発明に係る制御装置を適用可能な２段過給方式のガスエンジンの一例を示す概略構成図である。スロットル弁開度が大きく、開弁量を増加しても混合気量が増えず、ガス流量に非線形領域が発生した状態を示すグラフである。本発明の第１実施形態に係る制御装置の機能ブロック図である。本発明の第１実施形態に係る制御方法を示すフローチャートである。（ａ），（ｂ）は従来のエンジン特性を示し、（ｃ）は本発明のエンジン特性を示すグラフである。本発明の第２実施形態に係る制御装置の機能ブロック図である。本発明の第３実施形態に係る制御装置の機能ブロック図である。本発明の第４実施形態に係る制御装置の機能ブロック図である。

　以下に、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

［第１実施形態］
　図１は、本発明に係る制御装置を適用可能な１段過給方式のガスエンジンの一例を示す概略構成図である。このガスエンジンは、例えば図示しない発電機を駆動するためのものである。

　このガスエンジン１は、内部でピストン２が摺動するシリンダ３に、吸気バルブ４で開閉される吸気ポート５と、排気バルブ６で開閉される排気ポート７とが繋がっている。シリンダ３とピストン２との間には燃焼室８が画成され、この燃焼室８に点火プラグ９が設けられている。

　吸気ポート５にはインテークマニホルド１１が接続され、その上流端に過給機１２のコンプレッサ１２ｃが接続されている。インテークマニホルド１１の中間部にはスロットル弁１４とインタークーラ１５が接続されている。また、コンプレッサ１２ｃに接続された吸気管１７の中間部に、ガス燃料を供給するガス流量調整弁１８が接続され、上流端にエアクリーナ１９が接続されている。

　一方、排気ポート７にはエキゾーストマニホルド２２が接続され、その下流端に過給機１２のタービン１２ｔが接続されている。過給機１２のコンプレッサ１２ｃとタービン１２ｔとは回転軸１２ｓを介して一体に回転する。タービン１２ｔには排気管２４が接続され、この排気管２４とエキゾーストマニホルド２２とを結ぶバイパス排気通路２５にバイパス排気弁２６が設けられている。

　このように構成されたガスエンジン１において、エアクリーナ１９から吸入された空気は、ガス流量調整弁１８においてガス燃料を噴射されて燃料混合気とされ、過給機１２のコンプレッサ１２ｃにより圧縮され、インテークマニホルド１１を経てシリンダ３に過給されてガスエンジン１を作動させる。この燃料混合気はスロットル弁１４により流量を調整され、インタークーラ１５により圧縮熱を冷却される。

　また、シリンダ３から排出された排ガスは、エキゾーストマニホルド２２を経て過給機１２のタービン１２ｔに供給され、タービン１２ｔを高速回転させる。この回転は回転軸１２ｓを介してコンプレッサ１２ｃを高速で駆動し、新気の圧縮および過給を継続させる。

　なお、図２に示すように、低圧用の過給機１２Ａと高圧用の過給機１２Ｂとが備えられた２段過給方式のガスエンジン１０１としてもよい。この例では、過給機１２Ａ，１２Ｂを経由せずに吸気管１７とインテークマニホルド１１との間を直接結ぶバイパス吸気通路２８にサブスロットル弁２９が設けられている。一方、排気側には過給機１２Ａ，１２Ｂ間とエキゾーストマニホルド２２とを結ぶバイパス排気通路２５ａとバイパス排気弁２６ａとが追加されている。

　このようなガスエンジン１，１０１においては、負荷変動に対する応答性を向上させるために、スロットル弁１４でエンジン回転数の制御を行うとともに、ガス流量調節弁１８で空燃比制御行うようになっている。即ち、エンジン回転数が目標回転数と一致するようにスロットル弁１４の開度を調整した上で、空燃比が目標値と一致するようにガス流量調節弁１８へのガス流量指令値を決める制御方法となっている。

　しかし、この制御方法では、小さな負荷変動に対しては良好な応答性が得られるものの、スロットル弁１４が過渡的に全開となるような大きな負荷増加に対してはエンジン回転数が大きく低下してしまう問題がある。これは、スロットル弁１４が大きく開いてスロットル弁１４の前後の差圧が小さくなると、それ以上スロットル弁１４を開いても混合気流量を増加させることが不可能になるため、シリンダ３に流入するガスの量を増やすことができずにエンジン出力が不足することが原因である。

　このため、図３に示すように、スロットル弁１４の開度を大きくしても混合気の流量が増えず、混合気の流量が増えないために混合気中のガス流量も増加せず、ガス流量に非線形の領域ＮＬが発生してしまい、エンジン出力が増加しなくなる。これにより、エンジン回転数が落ち込んでストールする傾向となる。図４に示す制御装置５１は、このような不具合を解消するものである。

　この制御装置５１は、要求ガス流量演算部５４(PL controller)と、スロットル弁開度演算部５５(P gain)と、混合気流量演算部５６と、ガス流量指令値演算部５７と、修正演算部５８とを備えて構成されている。

　要求ガス流量演算部５４は、エンジン回転数と目標エンジン回転数との偏差から、エンジン回転数を一定に保つために必要な要求ガス流量Qg_dを演算する機能部である。

　スロットル弁開度演算部５５は、要求ガス流量Qg_dに応じてスロットル弁１４の開度を演算する機能部である。

　混合気流量演算部５６は、エンジン回転数と、吸気圧力、即ち、スロットル弁１４とシリンダ３との間におけるインテークマニホルド１１内の内圧（負圧）と、吸気温度と、エンジン排気量等から混合気流量Qmを演算する機能部である。この混合気流量Qm［m3/sec］は次の式（１）により導かれる。

　ここで、pinは吸気圧力［Pa］、即ちインテークマニホルド１１の内圧、Tinはインテークマニホルド１１の温度［K］、ηvは体積効率、Neはエンジン回転数［rpm］、Veはエンジン排気量［m3］、Rは気体定数［Pa・m3/kg/K］である。

　ガス流量指令値演算部５７は、混合気流量Qmと、定常運転時における目標空気過剰率λとから、目標空気過剰率λに一致させるために必要なガス流量指令値Qg_tを演算する機能部である。このガス流量指令値Qg_tは次の式（２）により導かれる。

　修正演算部５８は、要求ガス流量Qg_dがガス流量指令値Qg_tよりも大きい場合には、要求ガス流量Qg_d＝ガス流量指令値Qg_tとなるように目標空気過剰率λを下方修正する機能部である。この下方修正の補正値Δλは次の式（３）により導かれる。

　ここで、λdは要求空気過剰率、λtは空気過剰率指令値、AFRthは理論空燃比である。

　この制御装置５１では、前述のように、エンジン負荷が増大してスロットル弁１４の開度が大きくなり、混合気量を増加させることができなくなった場合に、空気過剰率λの目標値を下げてガス濃度（空燃比）を濃くし、必要なガス流量を確保するように制御している。例えば、本実施形態では、実空気量と理論空気量の比である目標空気過剰率λを制御量としているが、実空気量と燃料の比である空燃比（Air Flow Ratio：AFR）を制御量としても良い。この手法により、スロットル弁１４における圧力損失を増加させることなく、負荷増加に対するエンジン回転数の低下を減少させることができる。

　次に、この制御装置５１の作動について、図５のフローチャートを参照しながら説明する。

　本制御がスタートすると、まずステップＳ１において、要求ガス流量演算部５４により要求ガス流量Qg_dが演算される（要求ガス流量演算ステップ）。
　次に、ステップＳ２において、スロットル弁開度演算部５５によりスロットル弁１４の開度が演算される（スロットル弁開度演算ステップ）。
　次に、ステップＳ３において、混合気流量演算部５６により混合気流量Qmが演算される（混合気流量演算ステップ）。

　さらに、ステップＳ４において、ガス流量指令値演算部５７により、混合気流量Qmと、定常運転時における目標空気過剰率λとから、該目標空気過剰率λに一致させるために必要なガス流量指令値Qg_tが演算される（ガス流量指令値演算ステップ）。

　そして、ステップＳ５において、修正演算部５８により、要求ガス流量Qg_dとガス流量指令値Qg_tとが比較され、要求ガス流量Qg_d＞ガス流量指令値Qg_tとなるか否かが判定される。つまり、図３のグラフにも示したガス流量に非線形の領域ＮＬが発生しているか否かが判定される（比較判定ステップ）。

　ステップＳ５における判定結果が肯定判定（Yes）である場合、即ちガスエンジン１（１０１）の回転数偏差が大きく要求ガス量が多い、つまりスロットル弁１４の開度が大きいため混合気流量が増加しない場合にはステップＳ６に移行し、要求ガス流量Qg_d＝ガス流量指令値Qg_tとなるように、目標空気過剰率λが下方修正される（下方修正ステップ）。この時の目標空気過剰率λの補正値Δλは、前述の式（３）により導かれる。

　その後、ステップＳ７に移行し、スロットル弁１４によってガスエンジン１（１０１）の回転数制御が行われるとともに、ガス流量調整弁１８によって空燃比の制御が行われる。そして、ステップＳ１～Ｓ７のルーティンが繰り返される。
　また、ステップＳ５における判定結果が否定判定（No）である場合、即ちガスエンジン１（１０１）の回転数偏差が小さく要求ガス量が少ない場合には、そのままステップＳ７に移行して運転が続行される。

　この制御装置５１および制御方法によれば、要求ガス流量演算部５４により、エンジン回転数を一定に保つために必要な要求ガス流量Qg_dが演算され、この要求ガス流量Qg_dに応じてスロットル弁開度演算部５５によりスロットル弁１４の開度が演算される。また、混合気流量演算部５６により、混合気流量Qmが演算される。

　さらに、ガス流量指令値演算部５７により、混合気流量Qmと、定常運転時における目標空気過剰率λとから、該目標空気過剰率λに一致させるために必要なガス流量指令値Qg_tが演算される。そして、修正演算部５８により、要求ガス流量Qg_dがガス流量指令値Qg_tよりも大きい場合には、要求ガス流量Qg_dがガス流量指令値Qg_tと等しくなるように補正値Δλが演算されて目標空気過剰率λが下方修正される。

　目標空気過剰率λが下がると、その分、ガス流量指令値Qg_tが増加するため、混合気中のガス燃料の割合（空燃比）が増加し、エンジン出力が向上する。このため、エンジン負荷が増大した時にエンジン回転数が低下することを抑制することができる。

　図６（ａ），（ｂ）は従来のガスエンジンの特性を示し、（ｃ）は本実施形態のガスエンジンの特性を示すグラフである。
　図６（ａ）に示すように、従来のガスエンジンでも、負荷の増大幅が小さい場合には、スロットル弁開度を大きくすることによって混合気／ガス流量を増大させることができ、エンジン回転数の落ち込みは僅かで済んだ。

　しかし、負荷の増大幅が大きい場合には、図６（ｂ）に示すように、スロットル弁開度が全開になってしまう（Ａ点）、もしくはスロットル開度が大きいために、さらに開度を大きくしても、混合気流量の増大が望めない（Ｂ点）。また、従来では目標空気過剰率λが一定のままであった（Ｃ点）。このため、ガス流量が大きく増大されることはなく（Ｄ点）、結果的にエンジン出力が不足してエンジン回転数が大きく低下し（Ｅ点）、エンジンストールを来す懸念があった。

　これに対して、図６（ｃ）に示す本実施形態のガスエンジンでは、大きな負荷増大があった時に、スロットル弁開度が全開になること（Ａ点）や、スロットル開度の増大に混合気流量の増大がついてこない点（Ｂ点）については従来と同様である。しかし、目標空気過剰率λが下方修正（Ｆ点）されることにより、相対的に混合気中のガス燃料の割合（空燃比）が増加する（Ｇ点）。このため、エンジン出力が向上し、結果的にエンジン回転数の低下量が小さくなる（Ｈ点）。したがって、ガスエンジンで発電機を駆動して発電を行う場合には、電源周波数が変動することを防止して安定した発電を行うことができる。

　上記の制御装置５１および制御方法は、ソフトウエアの変更（プログラミング）のみで実施可能であり、ハードウエアの追加は不要であるため、構成が複雑化することがなく、簡素な構成を維持することができる。なお、図２に示す２段過給方式のガスエンジン１０１であっても、ハードウエアの追加等は一切不要である。

　しかも、環境条件や経年条件によって変化してしまうスロットル弁１４の流量特性を無視して制御することができる。このため、従来のようにスロットル弁１４の流量特性を把握しておき、スロットル開度が大きい部分において流量が増加しない非線形性を補償するようにガス流量を増やすという手法に比べて、制御を容易且つ確実に行うことができる。

　ところで、エンジン負荷が増大して目標空気過剰率λの下方修正が行われると、しばらくして以下のプロセスにより目標空気過剰率λの補正量（Δλ）が０となるため、定常の目標空気過剰率λに復帰する。

　即ち、負荷投入増加後は、エンジン回転数が落ち込みから復帰することに伴い、混合気流量が増加する。その結果，排気エネルギーが増大し、タービン１２ｔに流入するエネルギーが増加し、コンプレッサ仕事が増加して過給圧が増加し、さらに混合気流量が増加というサイクルにより混合気流量、過給圧が増加していく。そして、このサイクルによる混合気流量増加に伴いガス流量指令値が増加してゆき、その結果ガス流量指令値Qg_t＝要求ガス流量Qg_dとなるため，定常状態に復帰して目標空気過剰率λの補正値Δλが０となる。

　このため、混合気が濃くなる期間は、負荷が増大した時点から数秒～数十秒間というごく短い時間のみである。したがって、ガスエンジンの燃料消費量が多くなってランニングコストが増加するような懸念はない。

［第２実施形態］
　図７は、本発明の第２実施形態に係る制御装置の機能ブロック図である。この制御装置６１において、図４に示す第１実施形態の制御装置５１と異なる点は、制御装置５１では実空気量と理論空気量の比である空気過剰率λを制御量としていたが、この制御装置６１では、実空気量と燃料の比である空燃比（Air Flow Ratio：AFR）を制御量としている点である。

　このため、ガス流量指令値演算部５７では、定常時の目標空燃比ＡＦＲと混合気流量Qmに基づいてガス流量指令値Qg_tが演算される。このガス流量指令値Qg_tは次の式（４）により導かれる。

　また、修正演算部５８は、要求ガス流量Qg_dがガス流量指令値Qg_tよりも大きい場合には、要求ガス流量Qg_d＝ガス流量指令値Qg_tとなるように目標空燃比AFRを下方修正する。この下方修正の補正値ΔAFRは次の式（５）により導かれる。

　ここで、AFRdは要求空燃比、AFRtは空燃比指令値である。
　その他の部分については第１実施形態の制御装置５１と同様であるため、各部に同一符号を付して説明を省略する。

　この制御装置６１によれば、要求ガス流量演算部５４により、エンジン回転数を一定に保つために必要な要求ガス流量Qg_dが演算され、この要求ガス流量Qg_dに応じてスロットル弁開度演算部５５によりスロットル弁１４の開度が演算される。また、混合気流量演算部５６により、混合気流量Qmが演算される。

　さらに、ガス流量指令値演算部５７により、混合気流量Qmと、定常運転時における目標空燃比AFRとから、該目標空燃比AFRに一致させるために必要なガス流量指令値Qg_tが演算される。そして、修正演算部５８により、要求ガス流量Qg_dがガス流量指令値Qg_tよりも大きい場合には、要求ガス流量Qg_dがガス流量指令値Qg_tと等しくなるように補正値ΔAFRが演算されて目標空燃比AFRが下方修正される。

　目標空燃比AFRが下がると、その分、ガス流量指令値Qg_tが増加するため、混合気中のガス燃料の割合（空燃比）が増加し、エンジン出力が向上する。このため、エンジン負荷が増大した時にエンジン回転数が低下することを抑制することができる。したがって、ガスエンジンで発電機を駆動して発電を行う場合には、電源周波数が変動することを防止して安定した発電を行うことができる。

［第３実施形態］
　図８は、本発明の第３実施形態に係る制御装置の機能ブロック図である。この制御装置７１において、図４に示す第１実施形態の制御装置５１と異なる点は、点火時期遅延部７２が設けられている点である。なお、点火時期遅延部７２とともにノックセンサ７３も設けられているが、ノックセンサ７３は一般のエンジンにも装備されており、別段新規なものではない。

　点火時期遅延部７２は、エンジン負荷が急激に増大して、前述のように目標空気過剰率λ（または目標空燃比AFR）が下方修正された時に、ガスエンジン１（１０１）の点火時期を遅らせるように働く機能部である。例えば、前述のロジックにより決定された目標空気過剰率λの補正量（または図７に示す目標空燃比AFR補正量）とインテークマニホルド１１の圧力を入力とするリタードマップから、点火時期の遅れ量（リタード量）を決定し、他のリタード量と加算して点火装置に送信する。リタードマップでは、目標空気過剰率λの補正量が大きいほどリタード量が大きくなるようにされており、筒内の目標空気過剰率λの低下によるノッキングを抑制する。このように混合気が濃くされた時には点火時期が遅延されるため、ノッキングを抑制してスムーズな運転を行うことができる。

［第４実施形態］
　図９は、本発明の第４実施形態に係る制御装置の機能ブロック図である。この制御装置８１において、図４に示す第１実施形態の制御装置５１と異なる点は、燃料種別補正部８２が設けられている点である。この燃料種別補正部８２は、ガス燃料の種別や成分に応じて目標空気過剰率λや目標空燃比AFRに燃料種別補正係数を付与する機能部である。

　ガスエンジンに用いられるガス燃料は、地域により種別や成分が異なるため、ガスエンジンにおける理論空燃比（AFRth）も変化する。これに対応するため、燃料種別補正部８２から、ガス燃料の種類に応じて目標空気過剰率や目標空燃比に補正係数をかけてやる。これにより、ガス燃料の種類に適合した目標空気過剰率や目標空燃比を演算することができ、上述のエンジン回転数低下を抑制する制御を安定的に行うことができる。

　ガス燃料の成分から理論空燃比を補正し、補正した理論空燃比を用いてガス流量指令値演算、目標空気過剰率λの補正演算を行う。あるいは、各ガス燃料の種類に対応した補正係数を予め燃料種別補正部８２に記憶させておき、ガスエンジンのオペレータが切り替えるようにしてもよい。なお、図７に示す制御装置６１のように、定常時の目標空燃比AFRを制御量としている場合は、定常時の目標空燃比AFRを変更することでも同様にガス燃料の種別に対応することができる。

　以上説明したように、上記実施形態に係るガスエンジンの制御装置５１，６１，７１，８１、およびガスエンジンの制御方法、ならびにこの制御装置５１，６１，７１，８１を備えたガスエンジン１，１０１によれば、非常に簡素な構成により、エンジン負荷の増大によるエンジン回転数の低下を抑制することができる。このため、特に発電用エンジンに適用する場合においては、負荷の変動によってエンジン回転数、即ち電源周波数が変動してしまうことを防止し、安定した発電を行うことができる。

　なお、本発明は、上記実施形態の構成のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更や改良を加えることができ、このように変更や改良を加えた実施形態も本発明の権利範囲に含まれるものとする。

　例えば、上記の複数の実施形態を組み合わせた構成としてもよい。また、上記実施形態では発電用のガスエンジンとして説明したが、車両や船舶等の動力用エンジンにもこの技術を適用することができる。特に、ガスエンジンで発電してモータで走行または航行する車両や船舶にも適している。

１，１０１　ガスエンジン
１１　インテークマニホルド
１２　過給機
１４　スロットル弁
５１，６１，７１，８１　制御装置
５４　要求ガス流量演算部
５５　スロットル弁開度演算部
５６　混合気流量演算部
５７　ガス流量指令値演算部
５８　修正演算部
７２　点火時期遅延部
８２　燃料種別補正部
Ｓ１　要求ガス流量演算ステップ
Ｓ２　スロットル弁開度演算ステップ
Ｓ３　混合気流量演算ステップ
Ｓ４　ガス流量指令値演算ステップ
Ｓ５　比較判定ステップ
Ｓ６　下方修正ステップ
AFR　目標空燃比
AFRth　理論空燃比
Qg_d　要求ガス流量
Qg_t　ガス流量指令値
Qm　混合気流量
λ　目標空気過剰率

Claims

　ガス燃料により作動するガスエンジンにおいて、負荷変動に対するエンジン回転数の応答性を向上させるガスエンジンの制御装置であって、
　前記エンジン回転数と目標エンジン回転数との偏差から、前記エンジン回転数を一定に保つために必要な要求ガス流量を演算する要求ガス流量演算部と、
　前記要求ガス流量に応じてスロットル弁開度を演算するスロットル弁開度演算部と、
　前記エンジン回転数と、吸気圧力と、吸気温度と、エンジン排気量等から混合気流量を演算する混合気流量演算部と、
　前記混合気流量と、定常運転時における目標空気過剰率および／または目標空燃比とから、該目標空気過剰率および／または該目標空燃比に一致させるために必要なガス流量指令値を演算するガス流量指令値演算部と、
　前記要求ガス流量が前記ガス流量指令値よりも大きい場合には、要求ガス流量＝ガス流量指令値となるように前記目標空気過剰率および／または前記目標空燃比を下方修正する修正演算部と、
を備えてなるガスエンジンの制御装置。
　前記目標空気過剰率および／または前記目標空燃比が下方修正された時に、前記ガスエンジンの点火時期を遅延させる点火時期遅延部をさらに備えた請求項１に記載のガスエンジンの制御装置。
　前記ガス燃料の種別や成分に応じて前記目標空気過剰率および／または前記目標空燃比に燃料種別補正係数を付与する燃料種別補正部をさらに備えた請求項１または２に記載のガスエンジンの制御装置。
　請求項１～３のいずれかに記載のガスエンジンの制御装置を備えたガスエンジン。
　ガス燃料により作動するガスエンジンにおいて、負荷変動に対するエンジン回転数の応答性を向上させるガスエンジンの制御方法であって、
　前記エンジン回転数と、目標エンジン回転数との偏差から、前記エンジン回転数を一定に保つために必要な要求ガス流量を演算する要求ガス流量演算ステップと、
　前記要求ガス流量に応じてスロットル弁開度を演算するスロットル弁開度演算ステップと、
　前記エンジン回転数と、吸気圧力と、吸気温度と、エンジン排気量等から混合気流量を演算する混合気流量演算ステップと、
　前記混合気流量と、定常運転時における目標空気過剰率および／または目標空燃比とから、該目標空気過剰率および／または該目標空燃比に一致させるために必要なガス流量指令値を演算するガス流量指令値演算ステップと、
　前記要求ガス流量と前記ガス流量指令値とを比較し、要求ガス流量＞ガス流量指令値となるか否かを判定する比較判定ステップと、
　前記比較判定ステップにおける判定結果が肯定判定である場合には、要求ガス流量＝ガス流量指令値となるように前記目標空気過剰率および／または前記目標空燃比を下方修正する下方修正ステップと、
を備えてなるガスエンジンの制御方法。