JP4563443B2 - ガスエンジンシステムの制御方法及び該システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料ガス調整弁にて流量調整された燃料ガスと、過給機を介して供給される空気を所定の空燃比にて混合し、混合ガスをエンジンの燃焼室内に供給して燃焼せしめるガスエンジンシステムの制御方法及び該システムに関し、特に、低カロリーで発熱量が変動しやすい燃料ガスにおいても高精度の空燃比制御を可能としたガスエンジンシステムの制御方法及び該システムに関する。

従来、ガスエンジンのうち特に小型ガスエンジンにおいては、一般的に過給機上流にて燃料ガスと空気を混合させて燃焼室へ供給する過給機前吸込み方式を採用していた。
一方、従来の大型ガスエンジンの多くは、燃料ガスと空気の混合比（空燃比）及びガス投入量を各シリンダにより均一化する必要があるため、各シリンダの直前に設置した燃料ガス調整弁にて燃焼室へ燃料ガスを供給している。この方式を採用することにより、各シリンダに供給される空燃比及びガス投入量が均一化されるとともに、各シリンダにおける仕事が効率化され、さらにまた、シリンダ直前にて燃料ガスと空気とを混合する構成であるため、混合ガス供給路における可燃域を短くすることができ安全性が向上する。

また、上記した２つの方式を組み合わせた技術として、特許文献１（特開２００１−１３２５５０号公報）の技術が提供されている。この技術においては、ガスコンプレッサによって加圧された燃料ガスを給気通路のシリンダ入口またはシリンダ内に供給するとともに、前記ガスコンプレッサにて加圧する前の燃料ガスを過給機上流側の空気通路に供給し、前記シリンダ側への燃料ガス供給と過給機上流側への燃料ガス供給とを切換え可能に構成している。
しかしながら、特許文献１においては、ガスコンプレッサによって加圧された燃料ガスを給気通路のシリンダ入口またはシリンダ内に供給する燃料ガス供給系では、燃料ガスを過給空気圧よりも高圧に圧縮する必要があるが、燃料ガスとして炭鉱メタンガス等の低カロリーガス（発熱量の低いガス）を用いる場合には、低圧で大流量のガスを圧縮するために大型で大容量のガスコンプレッサを必要とする。一方、前記ガスコンプレッサにて加圧する前の燃料ガスを過給機上流側の空気通路に供給する燃料ガス供給系では、可燃性の燃料ガスを過給機で高温、高圧に加圧するため、過給機出口で燃料ガスが爆発する危険性を内包している。

そこで、特許文献２（特開２００６−２４４９９５４号公報）では、燃料ガスの一方を過給機入口空気と混合しこの混合気を過給機に供給すると共に、燃料ガスの他方をシリンダ毎の給気通路内の給気と混合しこの混合気をエンジンの各シリンダに供給するように構成し、過給機側ガス供給通路のガス流量を調整する過給機側ガス量調整弁と各シリンダ側ガス供給通路のガス流量を調整するシリンダ側ガス量調整弁とを設け、過給機側ガス量調整弁の開度を制御して、過給機側ガス供給通路への燃料ガス量を、過給機に供給する混合気中の燃料ガス濃度が可燃下限界ガス濃度以下に保持されるように調整するガス量コントローラを設けた構成を開示している。これによれば、過給機出口での燃料ガスの爆発の可能性を皆無とするとともに、低カロリーガス（発熱量の低いガス）燃料を用いる場合においてもシリンダ毎の給気通路への燃料ガス圧縮用のガスコンプレッサの動力を低減して該ガスコンプレッサを小型化、小容量化することが可能となる。

特開２００１−１３２５５０号公報 特開２００６−２４４９９５４号公報

上記したように、特許文献２によれば、低カロリーガスであっても十分な燃料ガスの供給量を確保でき、また燃料ガス圧縮用のガスコンプレッサを小型化、小容量化することが可能であるが、さらに過給機入口空気に混合する燃料ガス量を、簡単な構成で以って適正に制御でき、且つ燃料ガスがカロリー変動する場合にも適用可能な制御方法が望まれていた。
従って、本発明は上記従来技術の問題点に鑑み、低カロリーで発熱量が変動しやすい燃料ガスにおいても高精度の空燃比制御を可能としたガスエンジンシステムの制御方法及び該システムを提供することを目的とする。

そこで、本発明はかかる課題を解決するために、過給機を介して給気された空気と、燃料ガス通路を通って燃料流量制御弁により燃料供給量が制御された燃料ガスとを混合して燃焼室内に供給し、エンジンを着火燃焼せしめるガスエンジンシステムの制御方法において、
前記燃料ガスが低カロリーである場合又はエンジン出力が高負荷である場合には、前記燃料ガス通路の前記燃料ガスの一部を分岐させ、該燃料ガス通路上に設置されＯＮＯＦＦ制御されるガス供給弁を介して該分岐させた燃料ガスを過給機側ガス供給通路を通して、前記過給機の空気入口に設置され前記燃料ガスと空気を可燃下限界ガス濃度以下の所定比率で混合する構造を備えたミキサに供給し、該ミキサにて混合された混合ガスを前記過給機に供給するとともに、
前記燃料ガスの残分を、前記燃料ガスを圧縮するガスコンプレッサが介装されたシリンダ側ガス供給通路を通して前記燃料流量制御弁に供給し、該燃料流量制御弁にて混合ガスが所定の空燃比となるように燃料ガス量を制御するようにし、
前記燃料ガスが高カロリーである場合又はエンジン出力が低負荷である場合には、前記ガス供給弁を閉とし、前記シリンダ側ガス供給通路にのみ前記燃料ガスを供給するようにしたことを特徴とする。

本発明によれば、燃料ガスが低カロリーである場合又はエンジン出力が高負荷である場合のように、燃料ガス供給量が多くなる場合にのみ、過給機前の空気に燃料ガスを供給することにより、必要燃料ガス量を確保しつつ高精度の空燃比制御が可能となる。即ち、可燃下限界ガス濃度以下の所定比率で混合する構造を備えたミキサを設置し、燃料ガス供給量が多い場合には該ミキサから燃料ガスを供給することにより、ガスコンプレッサを小型化、小容量化することが可能であるとともに、空気供給通路上での爆発等の危険性を回避でき、さらにミキサにてある決まった所定比率の燃料ガスを混合するようにしているため、燃料流量制御弁における空燃比制御が簡単になる。

また、前記燃料流量制御弁の開度を検出するとともに前記エンジンの出力を検出し、前記燃料流量制御弁の開度が全開状態で且つエンジン出力が増加傾向にあるときに、前記燃料ガスが低カロリーである場合又はエンジン出力が高負荷であると判断し、前記ガス供給弁を開とすることを特徴とする。
これにより、ミキサを介して供給する燃料ガスの要否を簡単に且つ確実に判断することができ、高精度の空燃比制御が可能となる。

さらに、前記ガス供給弁が開の状態にてエンジン出力を検出し、該エンジン出力が予め設定された所定値以下となったら前記燃料ガスが高カロリー又はエンジン出力が低負荷となったことを判断し、前記ガス供給弁を閉じることを特徴とする。
このように、燃料ガス流量制御弁にて制御可能な燃料ガス流量の最大閾値を予め求めておき、該最大閾値となる所定値以下となったらガス供給弁を閉じて前記燃料ガス流量制御弁のみで燃料ガス流量を調整する。これにより、簡単で且つ高精度の制御が可能となる。

また、過給機を介して給気された空気の燃焼室への供給量を制御する給気流量制御弁と、燃料供給量の該燃焼室への供給量を制御する燃料流量制御弁とを備えるとともに、前記空気と前記燃料ガスとを所要の空燃比にて混合して燃焼室内に供給する燃料噴射装置とを備えたガスエンジンの制御装置において、
前記燃料ガス通路を、前記過給機の空気入口に接続される過給機側ガス供給通路と、前記燃料ガスを圧縮するガスコンプレッサが介装されたシリンダ側ガス通路とに分岐させ、前記過給機側ガス供給通路上にＯＮＯＦＦ制御されるガス供給弁を設けるとともに、前記過給機の空気入口側に、前記過給機側ガス供給通路を通って分岐された燃料ガスを空気に対して可燃下限界ガス濃度以下の所定比率で混合する構造を備えたミキサを設けたことを特徴とする。
さらに、前記ミキサが、前記空気の流量に対して前記所定比率の燃料ガス流量が混合されるベンチュリミキサであることが好適である。

以上記載のごとく本発明によれば、低カロリーで発熱量が変動しやすい燃料ガスにおいても高精度の空燃比制御を可能としたガスエンジンシステムの制御方法及び該システムを提供することが可能である。
即ち、燃料ガスが低カロリーである場合又はエンジン出力が高負荷である場合のように、燃料ガス供給量が多くなる場合にのみ、過給機前の空気に燃料ガスを供給することにより、必要燃料ガス量を確保しつつ高精度の空燃比制御が可能となる。即ち、可燃下限界ガス濃度以下の所定比率で混合する構造を備えたミキサを設置し、燃料ガス供給量が多い場合には該ミキサから燃料ガスを供給することにより、ガスコンプレッサを小型化、小容量化することが可能であるとともに、空気供給通路上での爆発等の危険性を回避でき、さらにミキサにてある決まった所定比率の燃料ガスを混合するようにしているため、燃料流量制御弁における空燃比制御が簡単になる。

また、燃料流量制御弁の開度が全開状態で且つエンジン出力が増加傾向にあるときに前記ガス供給弁を開とすることにより、ミキサを介して供給する燃料ガスの要否を簡単に且つ確実に判断することができ、高精度の空燃比制御が可能となる。
さらに、エンジン出力が予め設定された所定値以下となったらガス供給弁を閉じることにより、簡単で且つ高精度の制御が可能となる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
図１は本発明の実施例に係るガスエンジンシステムの全体構成図、図２は本実施例に係る燃料ガスのガス供給制御ダイヤグラムを示す図、図３は従来のシステムにおける燃料ガスのガス供給制御ダイヤグラムを示す図である。
尚、本実施例では、一例として発電機を駆動するための過給機付きガスエンジンで、且つ点火用副室を有する構成につき説明するが、本実施例の構成はこの形式のガスエンジンに限定されるものではなく、燃焼方式によるガスエンジンにも適用可能である。また、駆動対象は図示されるように発電機が好ましいが、発電機以外の場合にも適用可能である。

図１を参照して、本実施例に係るガスエンジンシステムの全体構成につき説明する。
同図において、１はエンジン（ガスエンジン）、４は該エンジン１のシリンダヘッド、１３は該エンジン１に直結駆動される発電機、１４はフライホイール、７は排気タービン７ａ及びコンプレッサ７ｂからなる過給機である。３は前記各シリンダヘッド４の給気入口に接続される給気枝管、２は前記コンプレッサ７ｂの給気出口と前記各給気枝管３とを接続する給気管、９は該給気管２を流れる給気を冷却する給気冷却器である。
５は前記各シリンダヘッドの排気出口に接続される排気管、６は前記各排気管５に接続される排気集合管、１１０は前記排気タービン７ａの排気ガス出口からの排気ガスを排出するための排気出口管である。

１１は排気バイパス管で、前記排気集合管６の排気タービン７ａ入口側から分岐されて該排気タービン７ａをバイパスし、該排気タービン７ａ出口側の排気出口管１１０に接続されている。１２は該排気バイパス管１１の通路面積を変化せしめる排気バイパス弁である。
１０ａは外部から空気を前記過給機７のコンプレッサ７ｂに導入するための過給機入口空気通路、１０は該過給機入口空気通路１０ａに設置されたミキサである。２１は燃料ガスを収容する燃料ガスタンク（図示省略）から燃料ガスが導入されるガス供給管で、該ガス供給管２１から過給機側ガス供給管２１１とシリンダ側ガス供給管２１２とが分岐されている。
前記過給機側ガス供給管２１１は、前記過給機入口空気通路１０ａに設置されたミキサ１０に接続されている。また前記シリンダ側ガス供給管２１２は途中でシリンダ毎に分岐されガス供給枝管２１３となって前記各各給気枝管３に接続されている。該ミキサ１０は、空気流量に対して可燃下限界ガス濃度以下の所定比率で燃料ガスを供給する構造を備えており、好適にはベンチュリミキサが用いられる。

１８は前記シリンダ側ガス供給管２１２に設置されて該シリンダ側ガス供給管２１２を流れる燃料ガスを圧縮するガスコンプレッサである。１９は前記過給機側ガス供給管２１１に設置されて該過給機側ガス供給管２１１への燃料ガス流量をＯＮＯＦＦ制御する過給機側ガス量調整弁（ガス供給弁）、２０は前記各ガス供給枝管２１３に設置されて該各ガス供給枝管２１３の通路面積即ち燃料ガス流量を制御するシリンダ側ガス量調整弁（燃料流量制御弁）である。

１５はエンジン回転数を検出する回転数センサ、０１３は前記発電機１３の負荷つまりエンジン負荷を検出する負荷検出器、１７は前記給気管２における給気圧力を検出する給気圧力センサ、１６は前記給気管２における給気温度を検出する給気温度センサである。０２１は前記過給機側ガス供給管２１１を流れる燃料ガスの流量を検出する燃料ガス流量計である。
２４は回転数コントローラ、２３は空燃比コントローラ、２２はガス量コントローラで、前記回転数センサ１５からのエンジン回転数の検出値は前記回転数コントローラ２４、空燃比コントローラ２３、及びガス量コントローラ２２に入力され、前記負荷検出器０１３からのエンジン負荷の検出値は空燃比コントローラ２３に入力され、前記給気圧力センサ１７からの給気圧力の検出値は空燃比コントローラ２３及びガス量コントローラ２２に入力され、前記給気温度センサ１６からの給気温度の検出値は空燃比コントローラ２３及びガス量コントローラ２２に入力され、前記燃料ガス流量計０２１からの燃料ガス流量の検出値はガス量コントローラ２２に入力される。

前記回転数コントローラ２４は、通常の電子ガバナーで、前記回転数センサ１５からのエンジン回転数の検出値に基づき設定された目標回転数となるよう前記各シリンダ側ガス量調整弁２０の開度を制御する。
前記空燃比コントローラ２３は、前記回転数センサ１５からのエンジン回転数の検出値、負荷検出器０１３からのエンジン負荷の検出値、給気圧力センサ１７からの給気圧力の検出値、及び給気温度センサ１６からの給気温度の検出値に基づき、後述する手段で前記排気バイパス弁１２の開度を制御する。前記ガス量コントローラ２２は、前記回転数センサ１５からのエンジン回転数の検出値、給気圧力センサ１７からの給気圧力の検出値、及び給気温度センサ１６からの給気温度の検出値に基づき、後述する手段で前記過給機側ガス量調整弁１９の開度を制御する。

かかるガスエンジンの運転時において、前記ガス供給管２１からの燃料ガスは該ガス供給管２１の途中で分岐される。そして分岐された燃料ガスの一方は前記過給機側ガス供給管２１１を通って前記ミキサ１０に導入され、該ミキサ１０において前記過給機空気入口通路１０ａからの空気と混合されこの混合気は過給機７のコンプレッサ７ｂに導入される。該コンプレッサ７ｂで高温、高圧に加圧された混合気は給気冷却器９で冷却されて降温し、給気管２を通って各シリンダの給気枝管３内に流入する。
また分岐された燃料ガスの他方はシリンダ側ガス供給管２１２に入り、ガスコンプレッサ１８で圧縮されて、各シリンダの各ガス供給枝管２１３を通り、前記各給気枝管３に入り、該給気枝管３内の前記混合気に混入されて各シリンダ内に送り込まれる。

そして、エンジン１の各シリンダからの排気ガスは排気管５を通って排気集合管６で合流され、過給機７の排気タービン７ａに供給されて該排気タービン７ａを駆動した後、排気出口管１１０を通って外部に排出される。
また、前記空燃比コントローラ２３からの後述するような制御操作信号によって排気バイパス弁１２が開かれると、前記排気集合管６内の排気ガスの一部は前記排気タービン７ａをバイパスして排気出口管１１０に排出される。

上記した構成を有するガスエンジンシステムにおける制御方法につき、以下に説明する。
まず、対比例として従来の制御方法につき、図３を参照して説明する。図３（ａ）はエンジン出力の検出値、（ｂ）はシリンダ側ガス量調整弁（燃料流量制御弁）の指令値、（ｃ）は過給機側ガス量調整弁（ガス供給弁）の指令値を示す。同図に示すように、従来の制御方法ではエンジン出力に応じて燃料流量制御弁を開度制御し、燃料ガスの流量を調整していた。このとき、ガス供給弁を具備しない場合にはこの指令値が常時０％となり、燃料流量制御弁のみの燃料ガス流量制御が行われていた。

これに対して、図２は本実施例に係るガスエンジンの制御方法である。図２（ａ）はエンジン出力の検出値、（ｂ）は燃料流量制御弁の指令値、（ｃ）はガス供給弁の指令値を示す。同図に示すように本実施例の制御方法では、燃料ガスが低カロリーである場合又はエンジン出力が高負荷である場合には、ガス供給弁を開にし、燃料流量制御弁から燃料ガス供給と、ガス供給弁からの燃料ガス供給の両方を実行する。一方、燃料ガスが高カロリーである場合又はエンジン出力が低負荷である場合には、ガス供給弁を閉にし、燃料流量制御弁からのみ燃料ガスを供給する。

具体的には、燃料流量制御弁の開度とエンジン出力とを検出し、燃料流量制御弁の開度が１００％若しくはこれに近い値（予め設定された値）となり、且つエンジン出力が増加傾向にある場合に（図中Ａ）ガス供給弁を開に制御する。次いで、ガス供給弁にて供給される一定比率の燃料ガス量を加えて、所定の空燃比となるように燃料流量制御弁により開度制御を行い燃料ガス供給量を調整する。即ち、ガス供給弁が１００％になった時点で、燃料流量制御弁の指令値は１００％から下がった値となる（図中Ｂ）。

そして、ガス供給弁は１００％の開度に維持された状態で、エンジン出力に応じて燃料流量制御弁により燃料ガス流量の調整を行う。このとき、上記したように、前記ガス供給弁からの一定比率の燃料ガス流量と前記燃料流量制御弁にて制御される燃料ガス流量とが、過給機から供給される空気に対して所定の混合比、即ち空燃比になるように設定される。
さらに、前記ガス供給弁が開の状態にてエンジン出力を検出し、該エンジン出力が予め設定された所定値以下となったら前記燃料ガスが高カロリー又はエンジン出力が低負荷となったことを判断し、前記ガス供給弁を閉じ、燃料流量制御弁のみで空燃比制御を行う（図中Ｃ）。
このように、燃料ガス流量制御弁にて制御可能な燃料ガス流量の最大閾値を予め求めておき、該最大閾値となる所定値以下となったらガス供給弁を閉じて前記燃料ガス流量制御弁のみで燃料ガス流量を調整する。これにより、簡単で且つ高精度の制御が可能となる。

上記したように、本実施例によれば、燃料ガスが低カロリーである場合又はエンジン出力が高負荷である場合のように、燃料ガス供給量が多くなる場合にのみ、過給機前の空気に燃料ガスを供給することにより、必要燃料ガス量を確保しつつ高精度の空燃比制御が可能となる。即ち、可燃下限界ガス濃度以下の所定比率で混合する構造を備えたミキサを設置し、燃料ガス供給量が多い場合には該ミキサから燃料ガスを供給することにより、ガスコンプレッサを小型化、小容量化することが可能であるとともに、空気供給通路上での爆発等の危険性を回避でき、さらにミキサにてある決まった所定比率の燃料ガスを混合するようにしているため、燃料流量制御弁における空燃比制御が簡単になる。

また、燃料流量制御弁の開度が全開状態で且つエンジン出力が増加傾向にあるときに前記ガス供給弁を開とすることにより、ミキサを介して供給する燃料ガスの要否を簡単に且つ確実に判断することができ、高精度の空燃比制御が可能となる。
さらに、エンジン出力が予め設定された所定値以下となったらガス供給弁を閉じることにより、簡単で且つ高精度の制御が可能となる。

本実施例によれば、燃料ガスを過給機入口空気と混合しこの混合気を過給機に供給する燃料ガス供給系と燃料ガスをシリンダ毎の給気通路内に供給する燃料ガス供給系とを併設したガスエンジンにおいて、過給機出口での燃料ガスの爆発の可能性を皆無にできるとともに、低カロリーガスを用いる場合においてもシリンダ毎の給気通路への燃料ガス圧縮用のガスコンプレッサの動力を低減できて該ガスコンプレッサを小型小容量化したガスエンジンを提供できる。

本発明の実施例に係るガスエンジンシステムの全体構成図である。 本実施例に係る燃料ガスのガス供給制御ダイヤグラムを示す図である。 従来のシステムにおける燃料ガスのガス供給制御ダイヤグラムを示す図である。

符号の説明

１ ガスエンジン
２ 給気管
３ 給気枝管
６ 排気集合管
７ 過給機
７ａ 排気タービン
７ｂ コンプレッサ
１０ａ 過給機入口空気通路
１３ 発電機
１３ａ 負荷検出器
１５ 回転数センサ
１８ ガスコンプレッサ
１９ 過給機側ガス量調整弁（ガス供給弁）
２０ シリンダ側ガス量調整弁（燃料流量制御弁）
２１ ガス供給管

Claims (5)

1. 過給機を介して給気された空気と、燃料ガス通路を通って燃料流量制御弁により燃料供給量が制御された燃料ガスとを混合して燃焼室内に供給し、エンジンを着火燃焼せしめるガスエンジンシステムの制御方法において、
   前記燃料ガスが低カロリーである場合又はエンジン出力が高負荷である場合には、前記燃料ガス通路の前記燃料ガスの一部を分岐させ、該燃料ガス通路上に設置されＯＮＯＦＦ制御されるガス供給弁を介して該分岐させた燃料ガスを過給機側ガス供給通路を通して、前記過給機の空気入口に設置され前記燃料ガスと空気を可燃下限界ガス濃度以下の所定比率で混合する構造を備えたミキサに供給し、該ミキサにて混合された混合ガスを前記過給機に供給するとともに、
   前記燃料ガスの残分を、前記燃料ガスを圧縮するガスコンプレッサが介装されたシリンダ側ガス供給通路を通して前記燃料流量制御弁に供給し、該燃料流量制御弁にて混合ガスが所定の空燃比となるように燃料ガス量を制御するようにし、
   前記燃料ガスが高カロリーである場合又はエンジン出力が低負荷である場合には、前記ガス供給弁を閉とし、前記シリンダ側ガス供給通路にのみ前記燃料ガスを供給するようにしたことを特徴とするガスエンジンシステムの制御方法。
2. 前記燃料流量制御弁の開度を検出するとともに前記エンジンの出力を検出し、前記燃料流量制御弁の開度が全開状態で且つエンジン出力が増加傾向にあるときに、前記燃料ガスが低カロリーである場合又はエンジン出力が高負荷であると判断し、前記ガス供給弁を開とすることを特徴とする請求項１記載のガスエンジンシステムの制御方法。
3. 前記ガス供給弁が開の状態にてエンジン出力を検出し、該エンジン出力が予め設定された所定値以下となったら前記燃料ガスが高カロリー又はエンジン出力が低負荷となったことを判断し、前記ガス供給弁を閉じることを特徴とする請求項１記載のガスエンジンシステムの制御方法。
4. 過給機を介して給気された空気の燃焼室への供給量を制御する給気流量制御弁と、燃料供給量の該燃焼室への供給量を制御する燃料流量制御弁とを備えるとともに、前記空気と前記燃料ガスとを所要の空燃比にて混合して燃焼室内に供給する燃料噴射装置とを備えたガスエンジンの制御装置において、
   前記燃料ガス通路を、前記過給機の空気入口に接続される過給機側ガス供給通路と、前記燃料ガスを圧縮するガスコンプレッサが介装されたシリンダ側ガス通路とに分岐させ、前記過給機側ガス供給通路上にＯＮＯＦＦ制御されるガス供給弁を設けるとともに、前記過給機の空気入口側に、前記過給機側ガス供給通路を通って分岐された燃料ガスを空気に対して可燃下限界ガス濃度以下の所定比率で混合する構造を備えたミキサを設けたことを特徴とするガスエンジンシステム。
5. 前記ミキサが、前記空気の流量に対して前記所定比率の燃料ガス流量が混合されるベンチュリミキサであることを特徴とする請求項４記載のガスエンジンシステム。

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