WO2017115864A1 - ガスエンジンシステム - Google Patents

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WO2017115864A1
WO2017115864A1 PCT/JP2016/089183 JP2016089183W WO2017115864A1 WO 2017115864 A1 WO2017115864 A1 WO 2017115864A1 JP 2016089183 W JP2016089183 W JP 2016089183W WO 2017115864 A1 WO2017115864 A1 WO 2017115864A1
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rate
advance
difference
control device
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永遠 平山
英和 岩▲崎▼
宏佳 石井
洋輔 野中
木塚　智昭
重治 藤原
知 深尾
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川崎重工業株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a gas engine system including a gas engine.
  • Patent Document 1 discloses a gas engine system for power generation equipment that adjusts ignition timing so that a delay calculation value (for example, moving average value) of a knocking appearance rate becomes a target appearance rate.
  • a delay calculation value for example, moving average value
  • the knocking appearance rate is a ratio of the number of cycles in which allowable knocking has appeared with respect to a predetermined number of cycles.
  • the delay calculation value of the knocking appearance rate is lower than the target appearance rate
  • the ignition timing is advanced based on the difference between them, and the delay calculation value of the knocking appearance rate is larger than the target appearance rate.
  • the ignition timing is retarded based on the difference between them.
  • the delay calculation value of the knocking appearance rate may be significantly lower than the target appearance rate.
  • the ignition timing is advanced only slowly due to a predetermined advance rate, and a long time is required until the ignition timing is optimized. In other words, the inefficient operation is continued for a long time.
  • the advance rate is set to be relatively small in order to achieve stable operation.
  • an object of the present invention is to provide a gas engine system that can shorten the time required until the ignition timing is optimized.
  • a gas engine system includes a gas engine including at least one cylinder that internally combusts a mixture of fuel gas and air, an ignition device provided in the cylinder, and the cylinder.
  • a pressure gauge for detecting an internal pressure, and a control device for controlling the ignition device, wherein the control device is a delay calculation value of the knocking appearance rate based on the pressure in the cylinder detected by the pressure gauge.
  • the ignition timing is advanced if the appearance rate difference is positive, and the appearance rate difference is negative Determines the primary target ignition timing so as to retard the ignition timing, and the difference in appearance rate is positive, and the ignition timing difference obtained by subtracting the previous ignition timing from the primary target ignition timing is the first advance rate
  • the primary target ignition timing is set as the current ignition timing, and when the appearance rate difference is positive, and when the ignition timing difference exceeds the converted value of the first advance rate, It is determined whether or not the advance angle condition is satisfied, and when the rapid advance condition is not satisfied, the secondary target ignition timing obtained by adding the converted value of the first advance rate to the previous ignition timing is set as the current ignition timing, When the rapid advance angle condition is satisfied, the current ignition timing is determined so that the second advance rate is larger than the first advance rate, and the ignition device ignites the mixture at the current ignition timing.
  • the ignition device is controlled as described above.
  • the ignition timing when the rapid advance angle condition is satisfied, the ignition timing is advanced at a second advance rate greater than the first advance rate. Therefore, the ignition timing is rapidly advanced, and the time taken for the ignition timing to be optimized can be shortened.
  • the rapid advance condition may be at least one of the following conditions (a) to (c).
  • the control device adds an amount calculated from a predetermined addition rate to the secondary target ignition timing obtained by adding the converted value of the first advance rate to the previous ignition timing.
  • the ignition timing may be determined this time by adding the amount. According to this configuration, the ratio of the advance amount derived from the first advance rate among the advance amounts derived from the second advance rate can be left as a history.
  • the control device may determine whether or not a reset condition is satisfied. If the reset condition is satisfied, the control apparatus may correct the current ignition timing by subtracting a predetermined amount from the current ignition timing. According to this configuration, when the reset condition is satisfied after the ignition timing has been rapidly advanced, the ignition timing can be instantaneously retarded. For example, if the reset condition is when the load suddenly rises, even if the load suddenly rises after the rapid advance of the ignition timing, it is possible to prevent the occurrence of unacceptable knocking.
  • the reset condition may be at least one of the following conditions (d) and (e).
  • (D) The absolute value of the difference between the target rotational speed and the actual rotational speed is greater than the predetermined rotational speed.
  • (E) The absolute value of the time change rate of the fuel gas injection period is larger than the predetermined change rate.
  • the time required until the ignition timing is optimized can be shortened.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a gas engine system according to a first embodiment of the present invention. It is a flowchart of control which a control device performs in a 1st embodiment. It is an example of the pressure waveform in a cylinder. It is a figure for demonstrating a knocking appearance rate and its moving average value. It is a graph which shows the time-dependent change of the primary target ignition timing in 1st Embodiment, and this ignition timing. It is a flowchart of the control which a control apparatus performs in 2nd Embodiment of this invention. It is a flowchart of the control which a control apparatus performs in 2nd Embodiment. It is a graph which shows the time-dependent change of the primary target ignition timing in 2nd Embodiment, and this ignition timing.
  • FIG. 1 shows a gas engine system 10 according to a first embodiment of the present invention.
  • the gas engine system 10 includes a gas engine 1 and a control device 3.
  • the gas engine 1 may be a gas combustion engine that burns only fuel gas (for example, natural gas), or may be a dual fuel engine that burns one or both of fuel gas and fuel oil.
  • the gas engine 1 is a 4-stroke engine, but the gas engine 1 may be a 2-stroke engine.
  • the gas engine 1 has a plurality of cylinders 21 (only one cylinder 21 is shown in FIG. 1). Since all the cylinders 21 have the same configuration, only one cylinder 21 will be described below.
  • a piston 22 is disposed so as to freely reciprocate, and the combustion chamber 2 is formed by the cylinder 21 and the piston 22.
  • the piston 22 is connected to a crankshaft (not shown) by a connecting rod (not shown).
  • phase angle detector 62 As the phase angle, the rotation angle of the crankshaft (crank angle), the position of the piston 22 or the like can be used.
  • the phase angle detector 62 is an electromagnetic pickup, a proximity switch, or a rotary encoder. Further, the actual rotational speed N (unit: rpm) of the gas engine 1 is also detected from the phase angle detector 62.
  • Air is supplied to the combustion chamber 2 through an air supply passage 41, and exhaust gas is discharged from the combustion chamber 2 through an exhaust passage 42.
  • the supply passage 41 is provided with a main fuel injection valve 51 for injecting fuel gas into the air supplied to the combustion chamber 2.
  • the cylinder 21 is provided with an air supply valve 23 that opens and closes an air supply port that is an opening to the combustion chamber 2 in the air supply path 41, and an exhaust valve 24 that opens and closes an exhaust port that is an opening to the combustion chamber 2 in the exhaust path 42. It has been.
  • the cylinder 21 is provided with a spark plug (an example of an ignition device) 55 for igniting a mixture of fuel gas and air in the combustion chamber 2. That is, the air-fuel mixture is combusted inside the cylinder 21.
  • the combustion chamber 2 is separated from the main combustion chamber 2A communicating with the air supply passage 41 and the exhaust passage 42, and the sub-combustion chamber 2B separated from the main combustion chamber 2A by the partition wall 25 provided with a communication hole.
  • the spark plug 55 is disposed in the auxiliary combustion chamber 2B, and fuel gas is injected from the auxiliary fuel injection valve 52 into the auxiliary combustion chamber 2B.
  • a rich air-fuel mixture is formed in the sub-combustion chamber 2 ⁇ / b> B by injection of fuel gas from the auxiliary fuel injection valve 52, and this air-fuel mixture is ignited by the spark plug 55.
  • the cylinder 21 is provided with a pressure gauge 61 for detecting the pressure P in the cylinder 21 (pressure in the main combustion chamber 2A).
  • the ignition device is not limited to the spark plug 55 that ignites the air-fuel mixture in the auxiliary combustion chamber 2B.
  • a pilot fuel injection valve that self-ignites the pilot fuel by directly injecting high-pressure pilot fuel (oil or fuel gas) into the main combustion chamber 2A can be adopted as the ignition device.
  • the auxiliary combustion chamber 2B may not be provided.
  • the fuel injection valves 51 and 52 and the spark plug 55 are controlled by the control device 3 based on the phase angle detected by the phase angle detector 62.
  • the control device 3 adjusts the ignition timing for each cycle so that the delay calculation value of the knocking appearance rate Kr becomes the target appearance rate Kt (for example, 7.5%).
  • the ignition timing is an angle (crank angle) with reference to the top dead center that indicates how far the top dead center should be ignited.
  • the predetermined cycle number Cy may be predetermined as 50 cycles, for example, or may be a cycle number measured within a predetermined time such as 5 to 15 seconds.
  • the delay calculation value of the knocking appearance rate Kr is the moving average value of the knocking appearance rate Kr. However, the delay calculation value may be a primary delay calculation value.
  • control performed by the control device 3 will be described in detail with reference to the flowchart of FIG.
  • the control device 3 determines that the combustion state is unacceptable knock (D), allowable knock (C), normal (A), misfire, for each cycle. It is determined which was (B) (step S1).
  • the control device 3 passes the pressure waveform in the cylinder 21 shown in FIG. 3 through a filter, and extracts a high-frequency component within a predetermined time ⁇ T after the piston 22 reaches top dead center. Further, the control device 3 samples a plurality of high frequency components from the extracted high frequency components, and calculates an average value PA of the sampled high frequency components. When the average value PA is equal to or greater than the first threshold T1 (T1 ⁇ PA), it is determined that the combustion state is an unacceptable knock, and when the average value PA is less than the first threshold T1 and equal to or greater than the second threshold T2 (T2 ⁇ PA). ⁇ T1) is determined that the combustion state is an allowable knock.
  • control device 3 calculates a difference ⁇ P of the pressure P in the cylinder 21 around the top dead center.
  • the difference ⁇ P is less than the third threshold T3 ( ⁇ P ⁇ T3), it is determined that the combustion state is misfire.
  • the difference ⁇ P is equal to or greater than the third threshold value T3 and the above-described average value PA is less than the second threshold value T2 (T3 ⁇ ⁇ P, PA ⁇ T2), it is determined that the combustion state is normal.
  • the control device 3 stores the combustion state from the current cycle to the previous Cy times.
  • Control device 3 the allowable knocking in the current cycle before Cy times (C) is determined the number of cycles Ck that emerged, by dividing the Ck in Cy, calculates the knocking occurrence ratio Kr n in the current cycle (step S2).
  • the calculated knocking appearance rate Kr is stored in the control device 3 for a predetermined number of cycles H from the current cycle, as shown in FIG.
  • H is relatively large (for example, 1500 to 2000 cycles).
  • H is relatively small (for example, 100 to 500 cycles).
  • ⁇ K Kt ⁇ Kr (AVE)
  • the control device 3 advances the ignition timing when the appearance rate difference ⁇ K is positive, and retards the ignition timing when the appearance rate difference ⁇ K is negative.
  • the ignition timing ITf is determined.
  • the primary target ignition timing ITf is determined to be larger than the previous ignition timing IT n ⁇ 1, and when the appearance rate difference ⁇ K is positive, the previous ignition timing IT n ⁇ .
  • Primary target ignition timing ITf is determined to be smaller than 1 .
  • a more detailed method for determining the primary target ignition timing ITf is, for example, as disclosed in Patent Document 1.
  • the control device 3 determines whether or not the speed at which the ignition timing is changed from the previous ignition timing IT n-1 to the primary target ignition timing ITf is within an allowable range.
  • the appearance rate difference ⁇ K is positive
  • the ignition timing difference ⁇ IT is also negative.
  • the control device 3 stores a predetermined first advance rate ⁇ (unit: deg / sec) and retard angle ⁇ (unit: deg / sec).
  • the first advance rate is 0.01 to 0.05 [deg / sec]
  • the retard rate is -0.2 to -0.05 [deg / sec].
  • the control device 3 compares the ignition timing difference ⁇ IT with the converted value ( ⁇ / K) of the first advance rate ⁇ (step S6), and converts the ignition timing difference ⁇ IT into the converted value of the retard rate ⁇ ( ⁇ / K) (step S7).
  • K is a coefficient for converting the unit of the advance rate or retard rate from deg / sec to deg / cycle.
  • K N / 120 [cycle / sec]. Note that the order of step S6 and step S7 may be either.
  • the ignition timing difference ⁇ IT is the converted value of the first advance rate ⁇ and the delay.
  • the control device 3 sets the primary target ignition timing ITf as the secondary target ignition timing ITs (step S8).
  • the rapid advance condition is all of the following conditions (a) to (c).
  • the rapid advance condition may be at least one of the conditions (a) to (c). If the rapid advance condition is at least one of the conditions (a) to (c), even if the ignition timing is advanced rapidly, it is possible to prevent frequent knocking or unacceptable knocking from occurring. be able to.
  • Condition (a) is a condition for determining that the combustion state is stable within an appropriate range, and conditions (b) and (c) are for determining that the load is substantially constant. Is the condition.
  • a condition for determining that the load is substantially constant for example, at least one of the following conditions (M1) to (M4) is adopted instead of the conditions (b) and (c). be able to.
  • M1 The absolute value of the time change rate of the required injection amount of the fuel gas is smaller than the threshold value.
  • M2 The absolute value of the time change rate of the torque detected by the torque meter provided on the output shaft of the gas engine 1 is smaller than the threshold value.
  • M3 When a turbocharger including a compressor and a turbine is connected to the gas engine 1, the absolute value of the difference between the actual boost pressure and the target boost pressure is smaller than the threshold value.
  • the control device 3 sets the secondary target ignition timing ITs to the current ignition timing IT n (step S14), and the current ignition timing IT.
  • the spark plug 55 is controlled so that the spark plug 55 ignites the air-fuel mixture at n (step S14). Thereafter, the control device 3 returns to step S1.
  • the ignition timing is advanced at the second advance rate ⁇ that is larger than the first advance rate ⁇ . Therefore, the ignition timing is rapidly advanced, and the time taken for the ignition timing to be optimized can be shortened. For example, as shown in FIG. 5, when the primary target ignition timing ITF can become large up to the vicinity of the maximum ignition timing ITm is the current ignition timing IT n can be close to early primary target ignition timing ITF.
  • flowchart of the present embodiment is the same as the flowchart shown in FIG. 2 from step S1 to step S9, and is different from the flowchart shown in FIG.
  • the current ignition timing IT n is determined so that the second advance rate ⁇ is larger than the first advance rate ⁇ .
  • the control device 3 first determines the secondary target ignition timing ITs from the first advance rate ⁇ (step S21). Next, it is determined whether or not a rapid advance angle condition is satisfied (step S22).
  • Step S31 When the rapid advance condition is not satisfied (NO in step S22), the process proceeds to step S31, and the secondary target ignition timing ITs is set as the current ignition timing IT n .
  • Step S31 also proceeds from step S8 and step S9.
  • control device 3 compares ITs + ⁇ A with the rapid advance limit value ITL (step S24).
  • the rapid advance limit value ITL may be a fixed value or may be a fluctuation value corresponding to a load when the rapid advance condition is satisfied. If ITs + ⁇ A is larger than the rapid advance limit ITL (NO in step S24), control device 3 proceeds to step S31, and sets secondary target ignition timing ITs as current ignition timing IT n . In other words, even if the rapid advance condition is satisfied, the rapid advance of the ignition timing is not performed.
  • the control device 3 determines the current ignition timing IT n by adding the addition amount ⁇ A to the secondary target ignition timing ITs. (Step S25). In other words, the control device 3 sets ITs + ⁇ A as the current ignition timing IT n . That is, in the present embodiment, the second advance rate ⁇ is the sum of the first advance rate ⁇ and the addition rate ⁇ .
  • the control device 3 determines whether or not a reset condition is satisfied (step S32).
  • the reset condition may be at least one of the following conditions (d) and (e) as a condition for determining that the load has rapidly increased.
  • D) The absolute value
  • of the time change rate of the fuel gas injection period is larger than the predetermined change rate (the predetermined change rate may be the same as or different from the predetermined change rate of the condition (c)). .
  • the controller 3 does not correct the current ignition timing IT n.
  • the control unit 3 by subtracting a predetermined amount ⁇ from the present ignition timing n, corrects the current ignition timing IT n.
  • the predetermined amount ⁇ may be a fixed value or a variation value according to the situation.
  • the predetermined amount ⁇ may be equal to or greater than the cumulative value A of the addition amount ⁇ A.
  • the predetermined amount ⁇ may be smaller than the cumulative value A.
  • step S34 the controller 3 controls the spark plug 55 as an ignition plug 55 ignites the air-fuel mixture in this ignition timing IT n (step S34), the flow returns to step S1.
  • the same effect as in the first embodiment can be obtained. Further, in the present embodiment, since the addition amount ⁇ A is added to the secondary target ignition timing ITs in step S25, among the advance amounts derived from the second advance rate ⁇ , they are derived from the first advance rate ⁇ .
  • the advance amount ratio can be recorded as a history.
  • the ignition timing when the reset condition is satisfied after the ignition timing is rapidly advanced, the ignition timing can be instantaneously retarded. For example, if the reset condition is when the load suddenly rises, even if the load suddenly rises after the rapid advance of the ignition timing, it is possible to prevent the occurrence of unacceptable knocking. Furthermore, if the predetermined amount ⁇ reduced from the current ignition timing IT n is equal to or greater than the cumulative value A of the addition amount A, the effect of preventing the occurrence of unacceptable knocking can be obtained remarkably.
  • step S32 and step S34 of the second embodiment may be executed between step S13 and step S14 of the first embodiment.
  • a step of comparing the secondary target ignition timing ITs with the ignition timing limit value ITL may be provided after step S12, and the process may proceed to step S11 when ITs> ITL.

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Abstract

ガスエンジンシステムの制御装置は、シリンダ内の圧力に基づいてノッキング出現率の遅れ演算値を算出し、目標出現率からノッキング出現率の遅れ演算値を差し引いた出現率差に基づいて一次目標点火時期を決定し、出現率差が正の場合であって、一次目標点火時期から前回点火時期を差し引いた点火時期差が第１進角率の換算値を超えない場合は、一次目標点火時期を今回点火時期とし、出現率差が正の場合であって、点火時期差が第１進角率の換算値を超える場合は、急速進角条件を満たすか否かを判定し、急速進角条件を満たさない場合は、前回点火時期に第１進角率の換算値を加えた二次目標点火時期を今回点火時期とし、急速進角条件を満たす場合には、第１進角率よりも大きな第２進角率となるように今回点火時期を決定する。

Description

ガスエンジンシステム
　本発明は、ガスエンジンを含むガスエンジンシステムに関する。
　発電設備に利用されるガスエンジンでは、点火時期を上死点よりも所定角度だけ進角するように制御することで高い発電効率が得られることが知られている。ところが、点火時期を進角させた場合には、ノッキングの発生が問題となる。
　例えば、特許文献１には、ノッキング出現率の遅れ演算値（例えば、移動平均値）が目標出現率となるように点火時期を調整する、発電設備用のガスエンジンシステムが開示されている。このガスエンジンシステムでは、シリンダ内の圧力から１サイクルごとに許容ノッキングが出現したか否かが判定される。前記のノッキング出現率は、所定のサイクル数に対する許容ノッキングが出現したサイクル数の割合である。そして、このガスエンジンシステムでは、ノッキング出現率の遅れ演算値が目標出現率よりも低い場合はそれらの差に基づいて点火時期が進角され、ノッキング出現率の遅れ演算値が目標出現率よりも高い場合はそれらの差に基づいて点火時期が遅角される。
　また、特許文献１に開示されたガスエンジンシステムでは、点火時期が進角される場合には、その進角速度が予め定められた進角率以下に制限される。
特開２０１０－８４６８１号公報
　しかしながら、上述したような制御では、負荷が大きく変動したときに、ノッキング出現率の遅れ演算値が目標出現率に対して大きく下回ることがある。この場合には、予め定められた進角率のために点火時期がゆっくりとしか進角されず、点火時期が最適化されるまでに長時間を要する。換言すれば、効率の悪い運転が長時間に亘って継続されることになる。なお、進角率は、安定的な運転を実現するために、比較的に小さく設定される。
　そこで、本発明は、点火時期が最適化されるまでにかかる時間を短縮することができるガスエンジンシステムを提供することを目的とする。
　前記課題を解決するために、本発明のガスエンジンシステムは、内部で燃料ガスと空気の混合気を燃焼させる少なくとも１つのシリンダを含むガスエンジンと、前記シリンダに設けられた点火装置と、前記シリンダ内の圧力を検出する圧力計と、前記点火装置を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記圧力計で検出される前記シリンダ内の圧力に基づいてノッキング出現率の遅れ演算値を算出し、目標出現率から前記ノッキング出現率の遅れ演算値を差し引いた出現率差に基づいて、前記出現率差が正の場合は点火時期を進角し、前記出現率差が負の場合は点火時期を遅角するように一次目標点火時期を決定し、前記出現率差が正の場合であって、前記一次目標点火時期から前回点火時期を差し引いた点火時期差が第１進角率の換算値を超えない場合は、前記一次目標点火時期を今回点火時期とし、前記出現率差が正の場合であって、前記点火時期差が第１進角率の換算値を超える場合は、急速進角条件を満たすか否かを判定し、前記急速進角条件を満たさない場合は、前回点火時期に前記第１進角率の換算値を加えた二次目標点火時期を今回点火時期とし、前記急速進角条件を満たす場合には、前記第１進角率よりも大きな第２進角率となるように今回点火時期を決定し、前記今回点火時期で前記点火装置が前記混合気に点火するように前記点火装置を制御する、ことを特徴とする。
　上記の構成によれば、急速進角条件を満たす場合には、第１進角率よりも大きな第２進角率で点火時期が進角される。従って、点火時期が急速に進角され、点火時期が最適化されるまでにかかる時間を短縮することができる。
　前記急速進角条件は、以下の条件（ａ）～（ｃ）の少なくとも１つであってもよい。
（ａ）現在から所定時間前の間の許容ノッキングの発生回数が所定回数よりも小さい。
（ｂ）目標回転数と実回転数との差の絶対値が所定回転数よりも小さい。
（ｃ）燃料ガス噴射期間の時間変化率の絶対値が所定変化率よりも小さい。
この構成によれば、点火時期を急速に進角しても、許容ノッキングが多発したり許容不可ノッキングが発生したりすることを防止することができる。
　前記制御装置は、前記急速進角条件を満たす場合には、前回点火時期に前記第１進角率の換算値を加えた二次目標点火時期に、予め定められた加算率から算出される加算量を加算することによって、今回点火時期を決定してもよい。この構成によれば、第２進角率に由来する進角量のうちで第１進角率に由来する進角量の割合を履歴として残すことができる。
　前記制御装置は、リセット条件を満たすか否かを判定し、前記リセット条件を満たす場合には、今回点火時期から所定量を減算することによって今回点火時期を補正してもよい。この構成によれば、点火時期を急速に進角した後にリセット条件を満たす場合には、点火時期を瞬時に遅角することができる。例えば、リセット条件を負荷が急上昇したときとすれば、点火時期の急速進角後に負荷が急上昇しても、許容不可ノッキングの発生を防ぐことができる。
　例えば、前記リセット条件は、以下の条件（ｄ）および（ｅ）の少なくとも１つであってもよい。
（ｄ）目標回転数と実回転数との差の絶対値が所定回転数よりも大きい。
（ｅ）燃料ガス噴射期間の時間変化率の絶対値が所定変化率よりも大きい。
　本発明によれば、点火時期が最適化されるまでにかかる時間を短縮することができる。
本発明の第１実施形態に係るガスエンジンシステムの概略構成図である。 第１実施形態において制御装置が行う制御のフローチャートである。 シリンダ内の圧力波形の一例である。 ノッキング出現率とその移動平均値を説明するための図である。 第１実施形態における一次目標点火時期および今回点火時期の経時的変化を示すグラフである。 本発明の第２実施形態において制御装置が行う制御のフローチャートである。 第２実施形態において制御装置が行う制御のフローチャートである。 第２実施形態における一次目標点火時期および今回点火時期の経時的変化を示すグラフである。
　（第１実施形態）
　図１に、本発明の第１実施形態に係るガスエンジンシステム１０を示す。このガスエンジンシステム１０は、ガスエンジン１と制御装置３を含む。
　ガスエンジン１は、燃料ガス（例えば、天然ガス）のみを燃焼させるガス専焼エンジンであってもよいし、燃料ガスと燃料油の一方または双方を燃焼させる二元燃料エンジンであってもよい。本実施形態では、ガスエンジン１が４ストロークエンジンであるが、ガスエンジン１は２ストロークエンジンであってもよい。
　ガスエンジン１は、複数のシリンダ２１を有する（図１では１つのシリンダ２１のみを図示）。全てのシリンダ２１の構成は同じであるため、以下では１つのシリンダ２１のみについて説明する。
　シリンダ２１内にはピストン２２が往復動自在に配設されており、シリンダ２１およびピストン２２によって燃焼室２が形成されている。ピストン２２は、図略の連接棒により図略のクランク軸と連結されている。
　４ストロークエンジンの場合、シリンダ２１において、ピストン２２が二往復することにより、ガスエンジン１の１サイクル（給気、圧縮、膨張、排気）が行われる。シリンダ２１における１サイクルの間のガスエンジン１の位相角（０～７２０度）は、位相角検出器６２により検出される。位相角としては、クランク軸の回転角（クランク角）やピストン２２の位置などを用いることができる。例えば、位相角検出器６２は、電磁ピックアップ、近接スイッチまたはロータリーエンコーダである。また、位相角検出器６２からは、ガスエンジン１の実回転数Ｎ（単位：rpm）も検出される。
　燃焼室２へは、給気路４１を通じて空気が供給され、燃焼室２からは、排気路４２を通じて排気が排出される。給気路４１には、燃焼室２へ供給される空気中に燃料ガスを噴射する主燃料噴射弁５１が設けられている。
　シリンダ２１には、給気路４１の燃焼室２に対する開口である給気ポートを開閉する給気弁２３と、排気路４２の燃焼室２に対する開口である排気ポートを開閉する排気弁２４が設けられている。また、シリンダ２１には、燃焼室２内で燃料ガスと空気の混合気に点火するための点火プラグ（点火装置の一例）５５が設けられている。つまり、シリンダ２１の内部では、混合気が燃焼される。
　本実施形態では、燃焼室２が、給気路４１および排気路４２と連通する主燃焼室２Ａと、連通孔が設けられた隔壁２５により主燃焼室２Ａと隔てられた副燃焼室２Ｂとからなる。点火プラグ５５は副燃焼室２Ｂに配置されており、副燃焼室２Ｂ内には副燃料噴射弁５２から燃料ガスが噴射される。副燃料噴射弁５２からの燃料ガスの噴射により副燃焼室２Ｂ内にはリッチな混合気が形成され、この混合気が点火プラグ５５により点火される。これにより副燃焼室２Ｂ内に火炎が発生し、その火炎が隔壁２５の連通孔を通じて主燃焼室２Ａ内に伝播することにより主燃焼室２Ａ内のリーンな混合気にも点火される。シリンダ２１には、当該シリンダ２１内の圧力Ｐ（主燃焼室２Ａ内の圧力）を検出する圧力計６１が設けられている。
　ただし、点火装置は、副燃焼室２Ｂ内の混合気に点火する点火プラグ５５に限られない。例えば、点火装置としては、主燃焼室２Ａ内に高圧のパイロット燃料（オイルや燃料ガス）を直接的に噴射することにより当該パイロット燃料を自己発火させるパイロット燃料噴射弁を採用することも可能である（この場合、副燃焼室２Ｂはなくてもよい）。
　燃料噴射弁５１，５２および点火プラグ５５は、位相角検出器６２で検出される位相角などに基づいて制御装置３により制御される。制御装置３は、ノッキング出現率Ｋｒの遅れ演算値が目標出現率Ｋｔ（例えば、７．５％）となるように、１サイクルごとに点火時期を調整する。本実施形態では、点火時期が、上死点からどれだけ前に点火すべきかを示す、上死点を基準とする角度（クランク角）である。
　ノッキング出現率Ｋｒは、所定のサイクル数Ｃｙに対する許容ノッキングが出現したサイクル数Ｃｋの割合である（Ｋｒ＝Ｃｋ／Ｃｙ）。所定のサイクル数Ｃｙは、例えば５０サイクルなどと予め定められてもよいし、例えば５～１５秒などと予め定められる時間内に計測されるサイクル数であってもよい。本実施形態では、ノッキング出現率Ｋｒの遅れ演算値が、ノッキング出現率Ｋｒの移動平均値である。ただし、遅れ演算値は、一次遅れ演算値であってもよい。
　以下、図２のフローチャートを参照して、制御装置３が行う制御について詳しく説明する。
　制御装置３は、圧力計６１で検出されるシリンダ２１内の圧力Ｐに基づいて、１サイクルごとに、燃焼状態が、許容不可ノック（Ｄ）、許容ノック（Ｃ）、通常（Ａ）、失火（Ｂ）のいずれであったかを判定する（ステップＳ１）。
　燃焼状態の判定の仕方としては、例えば次のような方法がある。制御装置３は、図３に示すシリンダ２１内の圧力波形をフィルタに通して、ピストン２２が上死点に達してから所定時間ΔＴ内の高周波成分を抽出する。さらに、制御装置３は、抽出した高周波成分のうちから複数個の高周波成分をサンプリングし、サンプリングされた高周波成分の平均値ＰＡを算出する。平均値ＰＡが第１閾値Ｔ１以上の場合（Ｔ１≦ＰＡ）は燃焼状態が許容不可ノックであったと判定され、平均値ＰＡが第１閾値Ｔ１未満かつ第２閾値Ｔ２以上の場合（Ｔ２≦ＰＡ＜Ｔ１）は燃焼状態が許容ノックであったと判定される。また、制御装置３は、上死点前後のシリンダ２１内の圧力Ｐの差ΔＰを算出する。差ΔＰが第３閾値Ｔ３未満の場合（ΔＰ＜Ｔ３）には燃焼状態が失火であったと判定される。差ΔＰが第３閾値Ｔ３以上であって上述した平均値ＰＡが第２閾値Ｔ２未満の場合（Ｔ３≦ΔＰ、ＰＡ＜Ｔ２）には燃焼状態が通常であったと判定される。
　図４に示すように、現在のサイクルをｎ回目とすると、制御装置３は、現在のサイクルからＣｙ回前までの燃焼状態を記憶している。制御装置３は、現在のサイクルからＣｙ回前までで許容ノッキング（Ｃ）が出現したサイクル数Ｃｋを求め、ＣｋをＣｙで割ることによって、現在のサイクルにおけるノッキング出現率Ｋｒnを算出する（ステップＳ２）。なお、算出されたノッキング出現率Ｋｒは、図４に示すように、現在のサイクルから所定サイクル数Ｈ分だけ制御装置３に格納される。
　ガスエンジン１が例えば発電設備などの負荷の変動があまり頻繁ではない用途に用いられる場合、Ｈは比較的に多いことが望ましい（例えば、１５００～２０００サイクル）。一方、ガスエンジン１が例えば船舶の主機などの負荷が頻繁に変動する用途に用いられる場合、Ｈは比較的に少ないことが望ましい（例えば、１００～５００サイクル）。
　次に、制御装置３は、ノッキング出現率Ｋｒの移動平均値Ｋｒ(AVE)を算出する（ステップＳ３）。より詳しくは、図４に示すように、現在のサイクルをｎ回目とすると、制御装置は、現在のサイクルとＨ回前のサイクルとの間でノッキング出現率Ｋｒを平均化する（Ｋｒ(AVE)＝（Ｋｒn＋Ｋｒn-1＋・・・＋Ｋｒn-H+1）／Ｈ）。
　次に、制御装置３は、目標出現率Ｋｔからノッキング出現率Ｋｒの移動平均Ｋｒ(AVE)を差し引いた出現率差ΔＫ（＝Ｋｔ－Ｋｒ(AVE)）を算出する（ステップＳ４）。出現率差ΔＫが正の場合は点火時期は進角されるべきであり、出現率差ΔＫが負の場合は点火時期は遅角されるべきである。その後、制御装置３は、出現率差ΔＫに基づいて、出現率差ΔＫが正の場合は点火時期を進角し、出現率差ΔＫが負の場合は点火時期を遅角するように一次目標点火時期ＩＴｆを決定する。つまり、出現率差ΔＫが正の場合は、前回点火時期ＩＴn-1よりも大きくなるように一次目標点火時期ＩＴｆが決定され、出現率差ΔＫが正の場合は、前回点火時期ＩＴn-1よりも小さくなるように一次目標点火時期ＩＴｆが決定される。一次目標点火時期ＩＴｆのより詳しな決定方法は、例えば、特許文献１に開示された通りである。
　次に、制御装置３は、前回点火時期ＩＴn-1から一次目標点火時期ＩＴｆまで点火時期を変化させる速度が許容範囲内にあるか否かを判定する。上述した出現率差ΔＫが正の場合は、一次目標点火時期ＩＴｆから前回点火時期を差し引いた点火時期差ΔＩＴ（＝ＩＴｆ－ＩＴn-1）も正となり、出現率差ΔＫが負の場合は、点火時期差ΔＩＴも負となる。
　具体的に、制御装置３には、予め定められた第１進角率α（単位：deg/sec）と遅角率β（単位：deg/sec）が格納されている。例えば、第１進角率は０．０１～０．０５［deg/sec］であり、遅角率は－０．２～－０．０５［deg/sec］である。そして、制御装置３は、点火時期差ΔＩＴを第１進角率αの換算値（α／Ｋ）と比較するとともに（ステップＳ６）、点火時期差ΔＩＴを遅角率βの換算値（β／Ｋ）と比較する（ステップＳ７）。ここで、Ｋは進角率または遅角率の単位をdeg/secからdeg/cycleに換算するための係数である。本実施形態では、４サイクルエンジンであるため、Ｋ＝Ｎ／120［cycle/sec］である。なお、ステップＳ６とステップＳ７の順番は、どちらが先であってもよい。
　点火時期差ΔＩＴがα／Ｋよりも小さくかつβ／Ｋよりも大きい場合（ステップＳ６でＹＥＳおよびステップＳ７でＹＥＳ）、換言すれば点火時期差ΔＩＴが第１進角率αの換算値および遅角率βの換算値を超えない場合は、制御装置３は、一次目標点火時期ＩＴｆを二次目標点火時期ＩＴｓとする（ステップＳ８）。一方、点火時期差ΔＩＴがβ／Ｋよりも小さい場合、換言すれば点火時期差ΔＩＴが遅角率βの換算値を超える場合は、制御装置３は、遅角率βから二次目標点火時期ＩＴｓを決定する。具体的には、制御装置３は、前回点火時期ＩＴn-1に遅角率βの換算値を加えて二次目標点火時期ＩＴｓとする（ＩＴｓ＝ＩＴn-1＋β／Ｋ）。
　逆に、点火時期差ΔＩＴがα／Ｋよりも大きい場合、換言すれば点火時期差ΔＩＴが第１進角率αの換算値を超える場合は、制御装置３は、急速進角条件を満たすか否かを判定する（ステップＳ１０）。本実施形態では、急速進角条件は、以下の条件（ａ）～（ｃ）の全てである。ただし、急速進角条件は、条件（ａ）～（ｃ）の少なくとも１つであればよい。急速進角条件が条件（ａ）～（ｃ）の少なくとも１つであれば、点火時期を急速に進角しても、許容ノッキングが多発したり許容不可ノッキングが発生したりすることを防止することができる。
（ａ）現在から所定時間（例えば、60 sec）前の間の許容ノッキングの発生回数が所定回数（例えば、ゼロまたは数回）よりも小さい。
（ｂ）目標回転数Ｎｔと実回転数Ｎとの差の絶対値｜ΔＮ｜が所定回転数（例えば、２～１０［rpm］）よりも小さい。
（ｃ）燃料ガス噴射期間の時間変化率の絶対値｜ｄＤ｜が所定変化率（例えば、０．１～１［deg/sec］）よりも小さい。
　条件（ａ）は、燃焼状態が適正な範囲内で安定していることを判定するための条件であり、条件（ｂ）および（ｃ）は、負荷がほぼ一定になったことを判定するための条件である。なお、負荷がほぼ一定になったことを判定するための条件としては、条件（ｂ）および（ｃ）の代わりに、例えば、以下の条件（Ｍ１）～（Ｍ４）の少なくとも１つを採用することができる。
（Ｍ１）燃料ガスの必要噴射量の時間変化率の絶対値が閾値よりも小さい。
（Ｍ２）ガスエンジン１の出力軸に設けられたトルク計で検出されるトルクの時間変化率の絶対値が閾値よりも小さい。
（Ｍ３）圧縮機およびタービンを含む過給機がガスエンジン１と接続される場合、実過給圧と目標過給圧との差の絶対値が閾値よりも小さい。
　急速進角条件を満たさない場合（ステップＳ１０でＮＯ）、制御装置３は、第１進角率αから二次目標点火時期ＩＴｓを決定する（ステップＳ１１）。具体的には、制御装置３は、前回点火時期ＩＴn-1に第１進角率αの換算値を加えて二次目標点火時期ＩＴｓとする（ＩＴｓ＝ＩＴn-1＋α／Ｋ）。一方、急速進角条件を満たす場合（ステップＳ１０でＹＥＳ）、制御装置３は、第１進角率αよりも大きな第２進角率γとなるように二次目標点火時期ＩＴｓを決定する（ステップＳ１２）。第２進角率γは、予め定められて制御装置３に格納されており、例えば０．１～０．５［deg/sec］である。具体的には、制御装置３は、前回点火時期ＩＴn-1に第２進角率γの換算値を加えて二次目標点火時期ＩＴｓとする（ＩＴｓ＝ＩＴn-1＋γ／Ｋ）。
　ステップＳ８，Ｓ９，Ｓ１１，Ｓ１２のいずれかで二次目標時期ＩＴｓが決定されると、制御装置３は、二次目標点火時期ＩＴｓを今回点火時期ＩＴnとし（ステップＳ１４）、今回点火時期ＩＴnで点火プラグ５５が混合気に点火するように点火プラグ５５を制御する（ステップＳ１４）。その後、制御装置３は、ステップＳ１に戻る。
　以上説明したように、本実施形態のガスエンジンシステム１０では、急速進角条件を満たす場合には、第１進角率αよりも大きな第２進角率γで点火時期が進角される。従って、点火時期が急速に進角され、点火時期が最適化されるまでにかかる時間を短縮することができる。例えば、図５に示すように、一次目標点火時期ＩＴｆが最大点火時期ＩＴｍの近傍まで大きくなれる場合には、今回点火時期ＩＴnを一次目標点火時期ＩＴｆに早期に近づけることができる。
　（第２実施形態）
　次に、図６および図７を参照して、本発明の第２実施形態に係るガスエンジンシステムを説明する。ただし、本実施形態では、制御装置３が行う制御のみが第１実施形態と異なり、ガスエンジンシステムの構成は図１に示す通りである。
　また、本実施形態のフローチャートは、ステップＳ１からステップＳ９までは図２に示すフローチャートと同じであり、ステップＳ６でＮＯから先が図２に示すフローチャートと異なる。
　本実施形態でも、制御装置３は、点火時期差ΔＩＴ（＝ＩＴｆ－ＩＴn-1）が第１進角率αの換算値（α／Ｋ）を超えたときに急速進角条件を満たす場合には、第１進角率αよりも大きな第２進角率γとなるように今回点火時期ＩＴnを決定する。具体的に、点火時期差ΔＩＴがα／Ｋよりも大きい場合（ステップＳ６でＮＯ）、制御装置３は、まず第１進角率αから二次目標点火時期ＩＴｓを決定し（ステップＳ２１）、ついで急速進角条件を満たすか否かを判定する（ステップＳ２２）。
　急速進角条件を満たさない場合（ステップＳ２２でＮＯ）、ステップＳ３１へ進み、二次目標点火時期ＩＴｓを今回点火時期ＩＴnとする。ステップＳ３１へは、ステップＳ８およびステップＳ９からも進む。一方、急速進角条件を満たす場合（ステップＳ２２でＹＥＳ）、予め定められた加算率ε（単位：deg/sec）から加算量ΔＡ（単位：deg/cycle）を算出する（ステップＳ２３）。具体的には、制御装置３は、加算率εを係数Ｋで割って加算量ΔＡを算出する（ΔＡ＝ε／Ｋ）。
　その後、制御装置３は、ＩＴｓ＋ΔＡを急速進角限界値ＩＴＬと比較する（ステップＳ２４）。急速進角限界値ＩＴＬは、固定値であってもよいし、急速進角条件を満たしたときの負荷に応じた変動値であってもよい。ＩＴｓ＋ΔＡが急速進角限界値ＩＴＬよりも大きい場合（ステップＳ２４でＮＯ）、制御装置３は、ステップＳ３１へ進み、二次目標点火時期ＩＴｓを今回点火時期ＩＴnとする。換言すれば、急速進角条件を満たしていても、点火時期の急速進角は行わない。
　逆に、ＩＴｓ＋ΔＡが急速進角限界値ＩＴＬよりも小さい場合（ステップＳ２４でＹＥＳ）、制御装置３は、二次目標点火時期ＩＴｓに加算量ΔＡを加算することによって今回点火時期ＩＴnを決定する（ステップＳ２５）。換言すれば、制御装置３は、ＩＴｓ＋ΔＡを今回点火時期ＩＴnとする。つまり、本実施形態では、第２進角率γは、第１進角率αと加算率εの和である。
　ステップＳ３１またはステップＳ２５で今回点火時期ＩＴnが決定されると、制御装置３は、リセット条件を満たすか否かを判定する（ステップＳ３２）。例えば、リセット条件は、負荷が急上昇したことを判定するための条件として、以下の条件（ｄ）および（ｅ）の少なくとも１つとすることができる。
（ｄ）目標回転数Ｎｔと実回転数Ｎとの差の絶対値｜ΔＮ｜が所定回転数よりも大きい（所定回転数は、条件（ｂ）の所定回転数と同じであっても異なっていてもよい）。
（ｅ）燃料ガス噴射期間の時間変化率の絶対値｜ｄＤ｜が所定変化率よりも大きい（所定変化率は、条件（ｃ）の所定変化率と同じであっても異なっていてもよい）。
　リセット条件を満たさない場合（ステップＳ３２でＮＯ）、制御装置３は、今回点火時期ＩＴnを補正しない。逆に、リセット条件を満たす場合（ステップＳ３２でＹＥＳ）、制御装置３は、今回点火時期ＩＴnから所定量θを減算することによって、今回点火時期ＩＴnを補正する。所定量θは、固定値であってもよいし、状況に応じた変動値であってもよい。例えば、所定量θは、加算量ΔＡの累積値Ａ以上であってもよい。この場合には、図８に示すように、点火時期の急速進角後にリセット条件を満たしたときに、今回点火時期ＩＴnを第１進角率αに基づく直線上またはその直線よりも下方にシフトさせることができる。あるいは、所定量θは、累積値Ａよりも小さくてもよい。
　その後、制御装置３は、今回点火時期ＩＴnで点火プラグ５５が混合気に点火するように点火プラグ５５を制御し（ステップＳ３４）、ステップＳ１に戻る。
　本実施形態でも、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、本実施形態では、ステップＳ２５で二次目標点火時期ＩＴｓに加算量ΔＡが加算されるので、第２進角率γに由来する進角量のうちで第１進角率αに由来する進角量の割合を履歴として残すことができる。
　さらに、本実施形態では、点火時期を急速に進角した後にリセット条件を満たす場合には、点火時期を瞬時に遅角することができる。例えば、リセット条件を負荷が急上昇したときとすれば、点火時期の急速進角後に負荷が急上昇しても、許容不可ノッキングの発生を防ぐことができる。さらに、今回点火時期ＩＴnから減産される所定量θが加算量Ａの累積値Ａ以上であれば、許容不可ノッキングの発生を防ぐという効果を顕著に得ることができる。
　（その他の実施形態）
　本発明は上述した実施形態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で種々の変形が可能である。
　例えば、第２実施形態のステップＳ３２およびステップＳ３４は、第１実施形態のステップＳ１３とステップＳ１４の間で実行されてもよい。
　また、第１実施形態において、ステップＳ１２の後に、二次目標点火時期ＩＴｓを点火時期限界値ＩＴＬと比較するステップを設け、ＩＴｓ＞ＩＴＬのときはステップＳ１１へ進むようにしてもよい。
　１０　ガスエンジンシステム
　１　　ガスエンジン
　２１　シリンダ
　３　　制御装置
　５５　点火プラグ（点火装置）
　６１　圧力計
 

Claims (5)

  1. 　内部で燃料ガスと空気の混合気を燃焼させる少なくとも１つのシリンダを含むガスエンジンと、
    　前記シリンダに設けられた点火装置と、
    　前記シリンダ内の圧力を検出する圧力計と、
    　前記点火装置を制御する制御装置と、を備え、
    　前記制御装置は、
    　　前記圧力計で検出される前記シリンダ内の圧力に基づいてノッキング出現率の遅れ演算値を算出し、
    　　目標出現率から前記ノッキング出現率の遅れ演算値を差し引いた出現率差に基づいて、前記出現率差が正の場合は点火時期を進角し、前記出現率差が負の場合は点火時期を遅角するように一次目標点火時期を決定し、
    　　前記出現率差が正の場合であって、前記一次目標点火時期から前回点火時期を差し引いた点火時期差が第１進角率の換算値を超えない場合は、前記一次目標点火時期を今回点火時期とし、
    　　前記出現率差が正の場合であって、前記点火時期差が前記第１進角率の換算値を超える場合は、急速進角条件を満たすか否かを判定し、
    　　前記急速進角条件を満たさない場合は、前回点火時期に前記第１進角率の換算値を加えた二次目標点火時期を今回点火時期とし、
    　　前記急速進角条件を満たす場合には、前記第１進角率よりも大きな第２進角率となるように今回点火時期を決定し、
    　　前記今回点火時期で前記点火装置が前記混合気に点火するように前記点火装置を制御する、ガスエンジンシステム。
  2. 　前記急速進角条件は、以下の条件（ａ）～（ｃ）の少なくとも１つである、請求項１に記載のガスエンジンシステム。
    （ａ）現在から所定時間前の間の許容ノッキングの発生回数が所定回数よりも小さい。
    （ｂ）目標回転数と実回転数との差の絶対値が所定回転数よりも小さい。
    （ｃ）燃料ガス噴射期間の時間変化率の絶対値が所定変化率よりも小さい。
  3. 　前記制御装置は、前記急速進角条件を満たす場合には、前回点火時期に前記第１進角率の換算値を加えた二次目標点火時期に、予め定められた加算率から算出される加算量を加算することによって、今回点火時期を決定する、請求項１または２に記載のガスエンジンシステム。
  4. 　前記制御装置は、リセット条件を満たすか否かを判定し、前記リセット条件を満たす場合には、今回点火時期から所定量を減算することによって今回点火時期を補正する、請求項１～３のいずれか一項に記載のガスエンジンシステム。
  5. 　前記リセット条件は、以下の条件（ｄ）および（ｅ）の少なくとも１つである、請求項４に記載のガスエンジンシステム。
    （ｄ）目標回転数と実回転数との差の絶対値が所定回転数よりも大きい。
    （ｅ）燃料ガス噴射期間の時間変化率の絶対値が所定変化率よりも大きい。
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