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CN101680397B - 燃气发动机系统的控制方法及该系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种在低卡路里且发热量容易变动的可燃气体中也能够进行高精度的空燃比控制的燃气发动机系统的控制方法及该系统。在该燃气发动机系统的控制方法中，当可燃气体为低卡路里或发动机输出为高负荷时，使可燃气体通路的所述可燃气体的一部分分支，经由在该可燃气体通路上设置且被进行打开关闭控制的气体供给阀，使该分支的可燃气体通过增压机侧气体供给通路，向设置于增压机的空气入口且具备将所述可燃气体和空气以可燃下限气体浓度以下的规定比率进行混合的结构的搅拌器供给，将在该搅拌器混合的混合气体向所述增压机供给，并且，使可燃气体的残留量通过安装有压缩可燃气体的气体压缩机的汽缸侧气体供给通路，向所述燃料流量控制阀供给，利用该燃料流量控制阀控制可燃气体量，使混合气体成为规定的空燃比，当所述可燃气体为高卡路里或发动机输出为低负荷时，关闭所述气体供给阀，仅向所述汽缸侧气体供给通路供给所述可燃气体。

Description

燃气发动机系统的控制方法及该系统
技术领域
本发明涉及将利用可燃气体调节阀调节了流量的可燃气体和经由增压机供给的空气以规定的空燃比混合，将混合气体供给于发动机的燃烧室内并使其燃烧的燃气发动机系统的控制方法及该系统，尤其涉及在低卡路里且发热量容易变动的可燃气体中也能够进行高精度的空燃比控制的燃气发动机系统的控制方法及该系统。
背景技术
以往，在燃气发动机中，尤其在小型燃气发动机中，通常采用在增压机上游混合可燃气体和空气，将其向燃烧室供给的增压机前吸入方式。
另一方面，以往的大型燃气发动机的大部分需要利用各汽缸均一化可燃气体和空气的混合比(空燃比)及气体投入量，因此，利用在各汽缸的临前设置的可燃气体调节阀向燃烧室供给可燃气体。通过采用该方式，均一化向各汽缸供给的空燃比及气体投入量，并且，提高各汽缸中的做功效率，进而，在汽缸临前混合可燃气体和空气，由于是这样的结构，因此，能够缩短混合气体供给路中的可燃区域，提高安全性。
另外，作为组合了上述两个方式的技术，提供了专利文献1(日本特开2001-132550号公报)的技术。在该技术中，将利用气体压缩机加压的可燃气体向供气通路的汽缸入口或汽缸内供给，并且，将用所述气体压缩机加压前的可燃气体向增压机上游侧的空气通路供给，从而能够切换向所述汽缸侧的可燃气体供给和向增压机上游侧的可燃气体供给。
然而，在专利文献1中，在将利用气体压缩机加压的可燃气体向供气通路的汽缸入口或汽缸内供给的可燃气体供给系统中，需要将可燃气体压缩为比增压空气压高压，但当作为可燃气体而使用煤矿甲烷气体等低卡路里气体(发热量低的气体)时，由于以低压压缩大流量的气体，因此需要大型且大容量的气体压缩机。另一方面，在将用所述气体压缩机加压前的可燃气体向增压机上游侧的空气通路供给的可燃气体供给系统中，由于用增压机将可燃性的可燃气体加压至高温、高压，因此，具有可燃气体在增压机出口爆炸的危险性。
因此，在专利文献2(日本特开2006-2449954号公报)中，公开了如下所述的结构，即：将可燃气体的一方与增压机入口空气混合，将该混合气向增压机供给，并且，将可燃气体的另一方与每个汽缸的供气通路内的供气混合，将该混合气向发动机的各汽缸供给，设置了调节增压机侧气体供给通路的气体流量的增压机侧气体量调节阀和调节各汽缸侧气体供给通路的气体流量的汽缸侧气体量调节阀，设置了气体量控制器，该气体量控制器控制增压机侧气体量调节阀的开度，将向增压机侧气体供给通路的可燃气体量调节为向增压机供给的混合气中的可燃气体浓度保持在可燃下限气体浓度以下。由此，能够消除增压机出口处的可燃气体爆炸的可能性，并且在使用低卡路里气体(发热量低的气体)燃料的情况下，也能够降低向每个汽缸的供气通路的可燃气体压缩用气体压缩机的动力，能够使该气体压缩机小型化、小容量化。
如上所述，根据专利文献2，即使是低卡路里气体，也能够确保充分的可燃气体的供给量，另外，能够使可燃气体压缩用气体压缩机小型化、小容量化，但是，进而还期望能够以简单的结构适当地控制与增压机入口空气混合的可燃气体量，且在可燃气体发生卡路里变动的情况下也能够适用的控制方法。
发明内容
本发明鉴于上述以往技术的问题而作出，其目的在于提供一种在低卡路里且发热量容易变动的可燃气体中也能够进行高精度的空燃比控制的燃气发动机系统的控制方法及该系统。
因此，本发明为了解决上述问题，提供一种燃气发动机系统的控制方法，其将经由增压机供给的空气和通过可燃气体通路并利用燃料流量控制阀控制了燃料供给量的可燃气体进行混合，向燃烧室内供给，并使发动机点火燃烧，其特征在于，
当所述可燃气体为低卡路里或发动机输出为高负荷时，使所述可燃气体通路的所述可燃气体的一部分分支，经由在该可燃气体通路上设置且被进行打开关闭控制的气体供给阀，使该分支的可燃气体通过增压机侧气体供给通路，向设置于所述增压机的空气入口且具备将所述可燃气体和空气以可燃下限气体浓度以下的规定比率进行混合的结构的搅拌器供给，将在该搅拌器混合的混合气体向所述增压机供给，并且，
使所述可燃气体的残留量通过安装有压缩所述可燃气体的气体压缩机的汽缸侧气体供给通路，向所述燃料流量控制阀供给，利用该燃料流量控制阀控制可燃气体量，使混合气体成为规定的空燃比，
当所述可燃气体为高卡路里或发动机输出为低负荷时，关闭所述气体供给阀，仅向所述汽缸侧气体供给通路供给所述可燃气体。
根据本发明，仅在诸如可燃气体为低卡路里或发动机输出为高负荷时那样可燃气体供给量变多的情况下，向增压机前的空气供给可燃气体，由此能够确保必要可燃气体量，同时，能够进行高精度的空燃比控制。即，设置具备以可燃下限气体浓度以下的规定比率混合的结构的搅拌器，在可燃气体供给量多的情况下，从该搅拌器供给可燃气体，由此能够使气体压缩机小型化、小容量化，并且，能够避免空气供给通路上的爆炸等危险性，进而，由于用搅拌器混合某个确定的规定比率的可燃气体，因此，燃料流量控制阀中的空燃比控制变得简单。
另外，本发明的特征在于，检测所述燃料流量控制阀的开度，并且检测所述发动机的输出，当所述燃料流量控制阀的开度为全开状态且发动机输出处于增加倾向时，判断为所述可燃气体是低卡路里的情况或发动机输出是高负荷，并打开所述气体供给阀。
由此，能够简单且可靠地判断经由搅拌器供给的可燃气体的需要与否，能够进行高精度的空燃比控制。
进而，本发明的特征在于，在所述气体供给阀为打开的状态下检测发动机输出，若该发动机输出成为预先设定的规定值以下，则判断为所述可燃气体是高卡路里或发动机输出是低负荷，并关闭所述气体供给阀。
这样，预先求出能够由可燃气体流量控制阀控制的可燃气体流量的最大阈值，若成为作为该最大阈值的规定值以下，则关闭气体供给阀，仅用所述可燃气体流量控制阀调节可燃气体流量。由此，能够进行简单且高精度的控制。
另外，本发明提供一种燃气发动机系统，其在燃气发动机的控制装置中具备对经由增压机供给的空气的向燃烧室的供给量进行控制的供气流量控制阀和对燃料供给量的向该燃烧室的供给量进行控制的燃料流量控制阀，并且，具备将所述空气和所述可燃气体以需要的空燃比混合并向燃烧室内供给的燃料喷射装置，其特征在于，
使所述可燃气体通路分支为与所述增压机的空气入口连接的增压机侧气体供给通路和安装有压缩所述可燃气体的气体压缩机的汽缸侧气体通路，在所述增压机侧气体供给通路上设置有被进行打开关闭控制的气体供给阀，并且，在所述增压机的空气入口侧设置有搅拌器，该搅拌器具备将通过所述增压机侧气体供给通路而分支的可燃气体相对于空气以可燃下限气体浓度以下的规定比率进行混合的结构。
进而，优选的是，所述搅拌器为相对于所述空气的流量，混合所述规定比率的可燃气体流量的文丘里搅拌器。
根据如上记载的本发明，能够提供在低卡路里且发热量容易变动的可燃气体中也能够进行高精度的空燃比控制的燃气发动机系统的控制方法及该系统。
即，仅在诸如可燃气体为低卡路里或发动机输出为高负荷时那样可燃气体供给量变多的情况下，才向增压机前的空气供给可燃气体，由此能够确保必要可燃气体量，同时，能够进行高精度的空燃比控制。即，设置具备以可燃下限气体浓度以下的规定比率混合的结构的搅拌器，在可燃气体供给量多的情况下，从该搅拌器供给可燃气体，由此能够使气体压缩机小型化、小容量化，并且，能够避免空气供给通路上的爆炸等危险性，进而，由于用搅拌器混合某个确定的规定比率的可燃气体，因此，燃料流量控制阀中的空燃比控制变得简单。
另外，通过在燃料流量控制阀的开度为全开状态且发动机输出处于增加倾向时打开所述气体供给阀，能够简单且可靠地判断经由搅拌器供给的可燃气体的需要与否，能够进行高精度的空燃比控制。
进而，在发动机输出成为了预先设定的规定值以下的情况下，关闭气体供给阀，由此能够进行简单且高精度的控制。
附图说明
图1是本发明的实施例的燃气发动机系统的整体结构图。
图2是表示本实施例的可燃气体的气体供给控制图表的图。
图3是表示以往的系统中的可燃气体的气体供给控制图表的图。
具体实施方式
以下，参照附图，例示性详细说明本发明的优选实施例。但是，在该实施例中记载的结构部件的尺寸、材质、形状、其相对配置等只要没有特别的特定记载，则只是单纯的说明例，并不意味着将本发明的范围限定于该记载。
图1是本发明的实施例的燃气发动机系统的整体结构图，图2是表示本实施例的可燃气体的气体供给控制图表的图，图3是表示以往的系统中的可燃气体的气体供给控制图表的图。
在本实施例中，作为一例，对于用于驱动发电机的带有增压机的燃气发动机即具有点火用副室的结构进行说明，但本实施例的结构不限定于该形式的燃气发动机，还可以适用于基于燃烧方式的燃气发动机。另外，驱动对象如图所示优选发电机，但还可以适用于发电机以外的情况。
参照图1，说明本实施例的燃气发动机系统的整体结构。
在该图中，1为发动机(燃气发动机)，4为该发动机1的汽缸盖，13为由该发动机1直接驱动的发电机，14为惯性轮，7为包括排气涡轮7a及压缩机7b的增压机。3为与所述各汽缸盖4的供气入口连接的供气支管，2为连接所述压缩机7b的供气出口和所述各供气支管3的供气管，9为冷却流过该供气管2的供气的供气冷却器。
5为与所述各汽缸盖的排气出口连接的排气管，6为与所述各排气管5连接的排气集合管，110为用于排出来自所述排气涡轮7a的废气出口的废气的排气出口管。
11为排气迂回管，从所述排气集合管6的排气涡轮7a入口侧分支，迂回该排气涡轮7a，与该排气涡轮7a出口侧的排气出口管110连接。12为使该排气迂回管11的通路面积变化的排气迂回阀。
10a为用于将空气从外部导入所述增压机7的压缩机7b的增压机入口空气通路，10为设置于该增压机入口空气通路10a的搅拌器。21为从收容可燃气体的可燃气体罐(省略图示)导入可燃气体的气体供给管，从该气体供给管21分支为增压机侧气体供给管211和汽缸侧气体供给管212。
所述增压机侧气体供给管211与设置于所述增压机入口空气通路10a的搅拌器10连接。另外，所述汽缸侧气体供给管212在中途按每个汽缸分支而形成气体供给支管213，并与所述各供气支管3连接。该搅拌器10具备：对于空气流量，以可燃下限气体浓度以下的规定比率供给可燃气体的结构，优选使用文丘里搅拌器。
18为设置于所述汽缸侧气体供给管212、并压缩流过该汽缸侧气体供给管212的可燃气体的气体压缩机。19为设置于所述增压机侧气体供给管211、并打开关闭控制向该增压机侧气体供给管211的可燃气体流量的增压机侧气体量调节阀(气体供给阀)，20为设置于所述各气体供给支管213、并控制该各气体供给支管213的通路面积即可燃气体流量的汽缸侧气体量调节阀(燃料流量控制阀)。
15为检测发动机转速的转速传感器，013为检测所述发电机13的负荷即发动机负荷的负荷检测器，17为检测所述供气管2中的供气压力的供气压力传感器，16为检测所述供气管2中的供气温度的供气温度传感器。021为检测流过所述增压机侧气体供给管211的可燃气体的流量的可燃气体流量计。
24为转速控制器，23为空燃比控制器，22为气体量控制器，来自所述转速传感器15的发动机转速的检测值输入所述转速控制器24、空燃比控制器23、及气体量控制器22，来自所述负荷检测器013的发动机负荷的检测值输入空燃比控制器23，来自所述供气压力传感器17的供气压力的检测值输入空燃比控制器23及气体量控制器22，来自所述供气温度传感器16的供气温度的检测值输入空燃比控制器23及气体量控制器22，来自所述可燃气体流量计021的可燃气体流量的检测值输入气体量控制器22。
所述转速控制器24为通常的电子调节器，其控制所述各汽缸侧气体量调节阀20的开度，以成为根据来自所述转速传感器15的发动机转速的检测值而设定的目标转速。
所述空燃比控制器23基于来自所述转速传感器15的发动机转速的检测值、来自负荷检测器013的发动机负荷的检测值、来自供气压力传感器17的供气压力的检测值、及来自供气温度传感器16的供气温度的检测值，用后述的机构控制所述排气迂回阀12的开度。所述气体量控制器22基于来自所述转速传感器15的发动机转速的检测值、来自供气压力传感器17的供气压力的检测值、及来自供气温度传感器16的供气温度的检测值，用后述的机构控制所述增压机侧气体量调节阀19的开度。
在所述燃气发动机的运行时，来自所述气体供给管21的可燃气体在该气体供给管21的中途分支。还有，分支的可燃气体的一方通过所述增压机侧气体供给管211导入所述搅拌器10，在该搅拌器10中与来自所述增压机空气入口通路10a的空气混合，该混合气导入增压机7的压缩机7b。在该压缩机7b被加压至高温、高压的混合气在供气冷却器9中被冷却而降温，通过供气管2流入各汽缸的供气支管3内。
另外，分支的可燃气体的另一方进入汽缸侧气体供给管212，在气体压缩机18中被压缩，通过各汽缸的各气体供给支管213，进入所述各供气支管3，混入该供气支管3内的所述混合气中，送入各汽缸内。
还有，来自发动机1的各汽缸的废气通过排气管5，在排气集合管6合流，供给于增压机7的排气涡轮7a，在驱动该排气涡轮7a后，通过排气出口管110向外部排出。
另外，当根据来自所述空燃比控制器23的后述控制操作信号来打开排气迂回阀12时，所述排气集合管6内的废气的一部分迂回所述排气涡轮7a后，向排气出口管110排出。
以下，说明具有上述结构的燃气发动机系统的控制方法。
首先，作为对比例，参照图3，说明以往的控制方法。图3(a)表示发动机输出的检测值，(b)表示汽缸侧气体量调节阀(燃料流量控制阀)的指令值，(c)表示增压机侧气体量调节阀(气体供给阀)的指令值。如该图所示，在以往的控制方法中，相应于发动机输出，控制燃料流量控制阀的开度，调节可燃气体的流量。此时，在不具备气体供给阀的情况下，该指令值始终为0％，仅进行燃料流量控制阀的可燃气体流量控制。
相对于此，图2是本实施例的燃气发动机的控制方法。图2(a)表示发动机输出的检测值，(b)表示燃料流量控制阀的指令值，(c)表示气体供给阀的指令值。如该图所示，在本实施例的控制方法中，当可燃气体是低卡路里或发动机输出为高负荷时，打开气体供给阀，执行自燃料流量控制阀的可燃气体供给和自气体供给阀的可燃气体供给双方。另一方面，当可燃气体为高卡路里或发动机输出为低负荷时，关闭气体供给阀，仅从燃料流量控制阀供给可燃气体。
具体来说，检测燃料流量控制阀的开度和发动机输出，当燃料流量控制阀的开度为100％或接近其的值(预先设定的值)、且发动机输出处于增加倾向时(图中A)，控制气体供给阀将其打开。接着，加入用气体供给阀供给的一定比率的可燃气体量，利用燃料流量控制阀进行开度控制，调节可燃气体供给量以成为规定的空燃比。即，在气体供给阀成为100％的时候，燃料流量控制阀的指令值成为从100％下降的值(图中B)。
还有，在气体供给阀维持为100％的开度的状态下，相应于发动机输出，利用燃料流量控制阀进行可燃气体流量的调节。此时，如上所述，设定为来自所述气体供给阀的一定比率的可燃气体供给量和用所述燃料流量控制阀控制的可燃气体流量相对于从增压机供给的空气成为规定的混合比即空燃比。
进而，在所述气体供给阀为打开的状态下检测发动机输出，若该发动机输出成为预先设定的规定值以下，则判断为所述可燃气体是高卡路里或发动机输出是低负荷，关闭所述气体供给阀，仅用燃料流量控制阀进行空燃比控制(图中C)。
这样，预先求出能够由可燃气体流量控制阀控制的可燃气体流量的最大阈值，若成为了作为该最大阈值的规定值以下，则关闭气体供给阀，仅用所述可燃气体流量控制阀调节可燃气体流量。由此，能够进行简单且高精度的控制。
如上所述，根据本实施例，仅在诸如可燃气体是低卡路里或发动机输出为高负荷时那样可燃气体供给量变多的情况下，向增压机前的空气供给可燃气体，由此能够确保必要可燃气体量，同时，能够进行高精度的空燃比控制。即，设置具备以可燃下限气体浓度以下的规定比率混合的结构的搅拌器，在可燃气体供给量多的情况下，从该搅拌器供给可燃气体，由此能够使气体压缩机小型化、小容量化，并且，能够避免空气供给通路上的爆炸等危险性，进而，由于用搅拌器混合某个确定的规定比率的可燃气体，因此，燃料流量控制阀中的空燃比控制变得简单。
另外，当燃料流量控制阀的开度为全开状态且发动机输出处于增加倾向时，打开所述气体供给阀，由此能够简单且可靠地判断经由搅拌器供给的可燃气体的需要与否，并能够进行高精度的空燃比控制。
进而，若发动机输出成为了预先设定的规定值以下，则关闭气体供给阀，由此能够进行简单且高精度的控制。
工业实用性
根据本实施例，能够提供一种燃气发动机，其同时设置有将可燃气体与增压机入口空气混合并将该混合气向增压机供给的可燃气体供给系统、和将可燃气体向每个汽缸的供气通路内供给的可燃气体供给系统，能够消除增压机出口处的可燃气体的爆炸的可能性，并且，在使用低卡路里气体的情况下，也能够减小向每个汽缸的供气通路的可燃气体压缩用气体压缩机的动力，使该气体压缩机小型小容量化。

Claims (7)

1.一种燃气发动机系统的控制方法，其将经由增压机供给的空气和通过可燃气体通路并利用燃料流量控制阀控制了燃料供给量的可燃气体进行混合，向燃烧室内供给，并使发动机点火燃烧，其特征在于，
当所述可燃气体为低卡路里或发动机输出为高负荷时，使所述可燃气体通路的所述可燃气体的一部分分支，经由在该可燃气体通路上设置且被进行打开关闭控制的气体供给阀，使该分支的可燃气体通过增压机侧气体供给通路，向设置于所述增压机的空气入口且具备将所述可燃气体和空气以可燃下限气体浓度以下的规定比率进行混合的结构的搅拌器供给，将在该搅拌器混合的混合气体向所述增压机供给，并且，
使所述可燃气体的残留量通过安装有压缩所述可燃气体的气体压缩机的汽缸侧气体供给通路，向所述燃料流量控制阀供给，利用该燃料流量控制阀控制可燃气体量，使混合气体成为规定的空燃比，
当所述可燃气体为高卡路里或发动机输出为低负荷时，关闭所述气体供给阀，仅向所述汽缸侧气体供给通路供给所述可燃气体。
2.根据权利要求1所述的燃气发动机系统的控制方法，其特征在于，
检测所述燃料流量控制阀的开度，并且检测所述发动机的输出，当所述燃料流量控制阀的开度为全开状态且发动机输出处于增加倾向时，判断为所述可燃气体是低卡路里或发动机输出是高负荷，并打开所述气体供给阀。
3.根据权利要求1所述的燃气发动机系统的控制方法，其特征在于，
在所述气体供给阀为打开的状态下检测发动机输出，若该发动机输出成为预先设定的规定值以下，则判断为所述可燃气体是高卡路里或发动机输出是低负荷，并关闭所述气体供给阀。
4.一种燃气发动机系统，其在燃气发动机的控制装置中具备对经由增压机供给的空气的向燃烧室的供给量进行控制的供气流量控制阀和对可燃气体向该燃烧室的供给量进行控制的燃料流量控制阀，并且，具备将所述空气和所述可燃气体以需要的空燃比混合并向燃烧室内供给的燃料喷射装置，其特征在于，
使所述可燃气体通路分支为与所述增压机的空气入口连接的增压机侧气体供给通路和安装有压缩所述可燃气体的气体压缩机的汽缸侧气体通路，在所述增压机侧气体供给通路上设置有被进行打开关闭控制的气体供给阀，并且，在所述增压机的空气入口侧设置有搅拌器，该搅拌器具备将通过所述增压机侧气体供给通路而分支的可燃气体相对于空气以可燃下限气体浓度以下的规定比率进行混合的结构，
具备控制所述气体供给阀的开闭的气体量控制器，
当可燃气体是低卡路里或发动机输出为高负荷时，所述气体量控制器打开所述气体供给阀，使得除了从所述燃料流量控制阀供给可燃气体之外，还从所述气体供给阀供给可燃气体，当可燃气体为高卡路里或发动机输出为低负荷时，所述气体量控制器关闭所述气体供给阀，使得仅从所述燃料流量控制阀供给可燃气体。
5.根据权利要求4所述的燃气发动机系统，其特征在于，
所述搅拌器为相对于所述空气的流量，混合所述规定比率的可燃气体流量的文丘里搅拌器。
6.根据权利要求4所述的燃气发动机系统，其特征在于，
还具备检测所述燃气发动机的发动机输出的负荷检测器，
当所述燃料流量控制阀为全开状态且发动机输出处于增加倾向时，判断为所述可燃气体是低卡路里或发动机输出是高负荷，所述气体量控制器打开所述气体供给阀。
7.根据权利要求6所述的燃气发动机系统，其特征在于，
在所述气体供给阀为打开的状态下，若所述发动机输出成为预先设定的规定值以下，则判断为所述可燃气体是高卡路里或发动机输出是低负荷，所述气体量控制器关闭所述气体供给阀。
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