(57)【要約】【課題】制御応答性が良好でノッキングの発生を十分に抑制できる装置を提供する。【解決手段】ノッキング制御装置１は、ガスエンジン２の気筒３に所定強度以上のノッキングが発生したか否かをサイクル毎に判定可能なノッキング判定装置２４と、ノッキング判定装置２４が所定強度以上のノッキングが発生したと判定した場合に積算変数ＣＴに１を加算し、ノッキング判定装置２４が所定強度以上のノッキングが発生しなかったと判定した場合に積算変数ＣＴから１を減算する積算変数演算部３０と、積算変数ＣＴが閾値以上となった場合に、気筒３の出力を低下させる主制御装置２０とを備えている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスエンジンの気筒に所定強度以上のノッキングが発生したか否かをサイクル毎に判定可能なノッキング判定手段と、
前記ノッキング判定手段が所定強度以上のノッキングが発生したと判定した場合に積算変数に所定数を加算し、前記ノッキング判定手段が所定強度以上のノッキングが発生しなかったと判定した場合に前記積算変数から所定数を減算する積算変数演算手段と、
前記積算変数が閾値以上となった場合に、前記気筒の出力を低下させる制御手段とを備えていることを特徴とするガスエンジンのノッキング制御装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記積算変数が前記閾値以上となった場合に、前記気筒に対する燃料供給期間を減少させることにより前記気筒の出力を低下させる請求項１に記載のガスエンジンのノッキング制御装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記ノッキング判定手段により判定された所定強度以上のノッキングが設定サイクル数の間に所定回数以上発生した場合に、前記気筒に対する着火タイミングを遅角させる請求項１又は２に記載のガスエンジンのノッキング制御装置。
【請求項４】
前記ガスエンジンは複数の気筒を有しており、
前記制御手段は、前記積算変数が所定の閾値以上となった気筒が所定数を超える場合には、前記ガスエンジンの出力上限値を低下させる請求項１乃至３のいずれかに記載のガスエンジンのノッキング制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、天然ガスや都市ガスなどのガス燃料を用いるガスエンジンのノッキング制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、工場等において、電力会社から供給される系統電力と、工場内に定置されたガスエンジンで発電機を駆動して得られる発電電力とを連系させて使用する電力システムが提供されている。ガスエンジンは、リーン状態で燃焼が行われるとエネルギー効率が良好であり、一定負荷で運転する発電設備に用いるのに適している。しかしながら、ガスエンジンでは、運転時にノッキングなどの異常燃焼が発生することがある。ノッキングは、燃焼行程において未燃混合気が自己着火し、火炎が伝播してくる前に燃焼が起こる現象であり、その際に発生する圧力波がエンジンに負担を掛け、エンジンが損傷することもある。そのため、所定強度以上のノッキングの発生を抑制するようにエンジン出力を適宜制御する必要がある。
【０００３】
特許文献１には、ガスエンジンのノッキングの発生を防止するノッキング制御装置が開示されている。この装置は、評価対象となるノッキングが設定サイクル中に発生した頻度を計算し、そのノッキング頻度が所定頻度を超えるときに、該当する気筒への燃料供給量を減少させている。よって、この装置によれば、ガスエンジンでのノッキングの発生を抑制することが可能となる。
【特許文献１】特開２００７−２４７５６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に開示された装置では、設定サイクル数が経過してノッキング頻度が算出されるまではノッキングの発生状況が燃料供給量の制御に反映されないため、ノッキングの制御に遅れが生じ、制御応答性が良いとはいえず、的確にノッキングが回避されているとはいえない。また、ノッキングが連続発生して気筒温度が上昇する場合であっても、ノッキング頻度が所定頻度を超えるまでは燃料供給量を減少させる制御が行われないため、ノッキングの発生を十分に抑制できず、エンジンの熱負荷が多大となる場合も生じる。さらには、単一のある気筒の燃料供給量を低下させた場合、エンジン全体として出力を維持するために、他の気筒が過負荷となる場合がある。
【０００５】
そこで本発明は、制御応答性が良好でノッキングの発生を十分に抑制でき、エンジン気筒の熱負荷も過大とならない制御装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は前記事情に鑑みてなされたものであり、本発明に係るガスエンジンのノッキング制御装置は、ガスエンジンの気筒に所定強度以上のノッキングが発生したか否かをサイクル毎に判定可能なノッキング判定手段と、前記ノッキング判定手段が所定強度以上のノッキングが発生したと判定した場合に積算変数に所定数を加算し、前記ノッキング判定手段が所定強度以上のノッキングが発生しなかったと判定した場合に前記積算変数から所定数を減算する積算変数演算手段と、前記積算変数が閾値以上となった場合に、前記気筒の出力を低下させる制御手段とを備えていることを特徴とする。
【０００７】
前記構成によれば、所定強度以上のノッキングの発生回数を積算変数に累積的に加算し、その積算変数が閾値以上となった場合に気筒の出力を低下させるので、あるサイクル数の経過を待たずとも、ノッキングの発生状況が気筒出力の制御に反映されることとなる。よって、ノッキング制御において遅れが生じることのない制御を実現することができ、制御応答性が向上する。また、ノッキング判定手段が所定強度以上のノッキングが発生しなかったと判定した場合でも、積算変数はリセットされることなく、積算変数から所定数を減算するだけにしているので、ノッキングが瞬間的に集中して発生した場合には積算変数が閾値以上となり、ノッキングの発生を速やかに抑制することが可能となる。
【０００８】
前記制御手段は、前記積算変数が前記閾値以上となった場合に、前記気筒に対する燃料供給期間を減少させることにより前記気筒の出力を低下させてもよい。
【０００９】
前記構成によれば、ガスエンジンの気筒に供給される混合気の空気過剰率が増加するため、気筒の出力が低下してノッキングの発生を抑制することできる。なお、燃料供給圧力を調節して気筒の出力を低下させてもよい。
【００１０】
前記制御手段は、前記ノッキング判定手段により判定された所定強度以上のノッキングが設定サイクル数の間に所定回数以上発生した場合に、前記気筒に対する着火タイミングを遅角させてもよい。
【００１１】
前記構成によれば、仮に積算変数が閾値以上にならない状態でノッキングが多く発生した場合でも、着火タイミングを遅角することで、ノッキングの発生を抑制することが可能となる。なお、遅角することにより出力効率が低下する場合には、遅角することで気筒の出力を低下させてもよい。
【００１２】
前記ガスエンジンは複数の気筒を有しており、前記制御手段は、前記積算変数が所定の閾値以上となった気筒が所定数を超える場合には、前記ガスエンジンの出力上限値を低下させてもよい。
【００１３】
例えば、全気筒のうち複数の気筒で前述した出力を低下させる制御が同時に実行された場合には、エンジン全体として目標出力を達成するために、残りの気筒において負荷が増加してノッキングが誘発される可能性がある。しかし、前記構成によれば、前述した出力を低下させる制御が所定数を超える複数の気筒で同時に実行された場合には、ガスエンジンの出力上限値が下げられるので、残りの気筒でノッキングが誘発されるのを防止することが可能であるし、それらの気筒が過負荷となることも防止できる。
【発明の効果】
【００１４】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、制御応答性が良好でノッキングの発生を十分に抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明に係る実施形態を図面を参照して説明する。
【００１６】
図１は本発明の実施形態に係るガスエンジン２のノッキング制御装置１を示す構成図である。図１に示すように、ガスエンジン２は、天然ガスや都市ガス等のガス燃料を主燃料とするレシプロ型の多気筒４ストロークエンジンであり、発電設備の原動機として使用されている。図１ではガスエンジン２の気筒３の一つを代表して示すが、図示しない他の気筒も同様の構成となっている。
【００１７】
気筒３にはピストン４が往復動可能に挿入されており、ピストン４は出力軸であるクランク軸（図示せず）と連結されている。気筒３内におけるピストン４の上方は主燃焼室５をなしてある。主燃焼室５には、給気弁６を介して給気ポート７が接続されるとともに、排気弁８を介して排気ポート９が接続されている。給気ポート７内にはガス燃料を噴射する主燃料ガス供給弁１０が設けられている。また、主燃焼室５には副燃焼室１１が隣接している。副燃焼室１１は、隔壁１２を介して主燃焼室５と区画され、隔壁１２に形成された連通孔１３を介して主燃焼室５と連通している。この副燃焼室１１にはガス燃料を噴射する副燃料ガス供給弁１４と、混合気を燃焼させるための点火プラグ１５とが設けられている。
【００１８】
このガスエンジン２によれば、給気行程において、主燃焼室５には給気ポート７から空気と主燃料ガス供給弁１０が噴射するガス燃料とを含む混合気が供給され、副燃焼室１１には副燃料ガス供給弁１４が噴射するガス燃料を含む混合気が供給される。圧縮行程において主燃焼室５及び副燃焼室１１内の混合気が圧縮された後、点火プラグ１５が所定のタイミングで動作して副燃焼室１１内の混合気が着火される。副燃焼室１１内で発生した火炎は連通孔１３を通じて主燃焼室５内に伝播し、主燃焼室５内の混合気が着火される。これによりピストン４が下動する（膨張行程）。そして、排気行程において、主燃焼室５内のガスは排気ポート９を介して外部に排出される。なお、排気ポート９に接続される排気通路１６は図示しない過給機に接続され、この排気通路１６に介在するバイパス通路１７には給気圧を調整するための排気バイパス弁１８が設けられている。
【００１９】
ガスエンジン２は前記４行程を１サイクルとして動作し、この１サイクルの間にピストン４が２往復し、クランク軸が２回転する。そして、１サイクルの間におけるピストン４の位置、又は、クランク軸の回転角（クランク角）がガスエンジン２の位相角として扱われる。
【００２０】
ノッキング制御装置１は、ＣＰＵ、記憶装置及び入出力インターフェースを有する主制御装置２０（制御手段）を備えている。記憶装置には後述するノッキング制御のプログラムが記憶され、ＣＰＵによりこのプログラムが実行される。
【００２１】
主制御装置２０は、主燃料ガス供給弁１０及び副燃料ガス供給弁１４を駆動するガス弁制御装置２１に接続され、このガス弁制御装置２１に指令信号を出力して各燃料ガス供給弁１０，１４を駆動制御する。また、主制御装置２０は、点火プラグ１５を駆動する点火プラグドライバ２２に接続されている。主制御装置２０は、このドライバ２２に指令信号を出力して点火プラグ１５を駆動制御し、これにより混合気の着火タイミングを制御する。なお、燃料ガス供給弁１０，１４及び点火プラグ１５の駆動制御はそれぞれの気筒３ごとに独立して行われる。
【００２２】
ノッキング制御装置１は、ガスエンジン２の位相角を検知するための位相角検知装置２３を備え、主制御装置２０には位相角検知装置２３からの位相角情報が入力されるようになっている。位相角検知装置２３は、電磁ピックアップ、近接スイッチ又はロータリーエンコーダによって構成してもよい。
【００２３】
ノッキング制御装置１は、ノッキングの出現を検知するノッキング判定装置２４（ノッキング判定手段）を備えている。このノッキング判定装置２４には、位相角検知装置２３と、気筒３の内圧を検知する筒内圧センサ２５とが接続されている。ノッキング判定装置２４は、位相角検知装置２３からの位相角情報に基づいてガスエンジン２のサイクルを把握し、気筒３の内圧変動に基づいて各サイクルごとに気筒３内の燃焼状態が「通常」、「失火」、「小ノック」及び「大、中ノック」の４つの状態のうち何れに属するのかを判定する。筒内圧センサ２５は、各気筒３に個別に設けられており、ノッキング判定装置２４は各気筒３の燃焼状態を個別に判定する。主制御装置２０には、ノッキング判定装置２４による判定結果が入力されるようになっている。
【００２４】
主制御装置２０には、その他に、発電機出力、給気圧、給気温度などが入力されるようになっている。主制御装置２０は、発電機出力に対して所定の給気圧となるよう排気バイパス弁１８の開度を調節する制御を行う。また、ガス弁制御装置２１は、ガス燃料の噴射圧力が給気圧よりも所定値以上大きくなるように調整し、これにより電磁弁である主燃料ガス供給弁１０は給気圧の大小に関わらず安定した開閉動作が行われる。
【００２５】
図２は図１に示すノッキング判定装置２４が行う燃焼状態判定を説明する図面である。図２に示すように、筒内圧センサ２５により筒内圧の波形が計測されると、ノッキング判定装置２４は、この波形をフィルタに通して高周波成分を抽出する。データを抽出する範囲は、ピストンが上死点に達してからの所定時間（例えば20msec）に設定される。そしてこの時間内における高周波成分が複数個（Ｎ）サンプリングされ、サンプリングされた各成分の圧力Ｐｆの平均値が算出される。この平均値が第１閾値以上である場合には、気筒の燃焼状態が「大、中ノック」の状態であると判定され、この平均値が第１閾値未満且つ第２閾値以上である場合には、気筒の燃焼状態が「小ノック」の状態であると判定される（なお、第２閾値は第１閾値よりも小である）。「小ノック」及び「大、中ノック」は何れも、気筒３にノッキングが発生していることを表しているが、「大、中ノック」は所定強度以上のノッキングが発生していることを表しており、「小ノック」は所定強度未満のノッキングが発生していることを表している。
【００２６】
また、筒内圧センサ２５により筒内圧の波形が計測されると、ノッキング判定装置２４は、上死点前後の筒内圧を比較し、この比較により得られた圧力偏差ΔＰが閾値を超えているか否かを判定する。圧力偏差ΔＰが閾値未満である場合には、気筒の燃焼状態が「失火」の状態であると判定され、圧力偏差ΔＰが閾値以上であって、上記平均値が第２閾値未満である場合には、気筒の燃焼状態が「通常」の状態であると判定される。
【００２７】
図３は図１に示す主制御装置２０のノッキング制御に関する機能ブロック図である。なお、図３では、気筒ごとに個別に実施される機能を上部に図示し、全気筒について統合的に実施される機能を下部に図示している。図３に示すように、主制御装置２０は、積算変数演算部３０（積算変数演算手段）、閾値記憶部３１、比較器３２、燃料低減制御部３３、発生頻度判定部３４、遅角制御部３５、出力リミッタ部３７、エンジン負荷制御部３８、及び、燃料減気筒数判定部３９を有している。
【００２８】
積算変数演算部３０は、ノッキング判定装置２４から「大、中ノック」が入力されると積算変数ＣＴに１を加算し、ノッキング判定装置２４から「小ノック」、「正常」又は「失火」が入力されると積算変数ＣＴから１を減算する。比較器３２は、その積算変数ＣＴと、閾値記憶部３１に記憶された所定の閾値とを比較し、積算変数ＣＴが閾値以上であるか否かを判定する。比較器３２において積算変数ＣＴが閾値以上であると判定された場合には、燃料低減制御部３３は、主燃料ガス供給弁１０（図１参照）の開弁期間、即ち、燃料噴射期間を低減する制御を実行する。閾値記憶部３１に記憶された所定の閾値としては、好ましくは３であってよく、また２であってもよいが、これ以外でもよい。
【００２９】
発生頻度判定部３４は、所定の設定サイクル数の間に「大、中ノック」が所定回数以上発生したか否かを判定する。具体的には、たとえばエンジン２の５０サイクルの間に「大、中ノック」が２回以上発生したか否かを判定する。遅角制御部３５は、５０サイクルの間に「大、中ノック」が２回以上発生した場合に、点火タイミングを遅角する制御を実行する。なお、公知のとおり、点火タイミングが遅角されると当該気筒の出力が減少し、点火タイミングが進角されると当該気筒の出力が増加する。
【００３０】
出力リミッタ部３７は、ガスエンジン２（図１参照）の出力上限値を設定する。なお、ガスエンジン２の出力は、それに接続される発電機（図示せず）の出力となる。エンジン負荷制御部３８は、出力リミッタ部３７を介して入力される出力設定値に、発電機（図示せず）の出力計測値が近づくように、主燃料ガス供給弁１０による燃料噴射期間を制御する。燃料減気筒数判定部３９は、燃料噴射期間を低減させる制御が実行された気筒の数Ｎを計算し、その数Ｎが所定数を超える場合には、出力リミッタ部３７における出力上限値を下げるよう設定する。具体的には、出力リミッタ部３７の初期出力上限値をＬＤ1とすると、出力上限値ＬＤは、以下の式で設定される。つまり、燃料低減制御部３３による制御が同時に実行された気筒数Ｎが増加するほど、３％ずつ出力上限値が減少するように重み付けがなされる。
【００３１】
［数１］
ＬＤ＝{１−０．０３（Ｎ−１）}・ＬＤ1
図４は図１に示す主制御装置２０が実行するノッキング制御を説明するフローチャートである。図５は図１に示す主制御装置２０が実行するノッキング制御のうち燃料噴射時間低減制御を説明するタイミングチャートである。以下、図３及び５を参照しつつ図４に沿ってノッキング制御の流れを説明する。図３及び４に示すように、まず、ノッキング判定装置２４が、ガスエンジン２の気筒３内の燃焼状態が「通常」、「失火」、「小ノック」又は「大、中ノック」の４つの状態のうち何れに属するのかサイクル毎に判定する（ステップＳ１）。
【００３２】
次いで、ノッキング判定装置２４の判定結果が「大、中ノック」である場合には（ステップＳ２）、発生頻度判定部３４は、「大、中ノック」が設定サイクル数（例えば、５０サイクル）内に所定回数（例えば、２回）以上発生しているか否かを判定する（ステップＳ３）。ステップＳ３でＹｅｓの場合には、遅角制御部３５が、設定サイクル数（例えば、５０サイクル）の間、点火タイミングを遅角させる制御を実行する（ステップＳ４）。ステップＳ３でＮｏの場合には、そのままステップＳ５に進む。
【００３３】
次いで、図３〜５に示すように、積算変数演算部３０は、積算変数ＣＴに１を加算する（ステップＳ５）。なお、積算変数ＣＴの初期値はゼロである。ステップＳ２でＮｏの場合には、積算変数演算部３０は、積算変数ＣＴから１を減算する（ステップＳ６）。次いで、積算変数演算部３０は、積算変数ＣＴがゼロより大であるか否かを判定する（ステップＳ８）。ステップＳ８でＮｏの場合には、積算変数ＣＴにゼロを代入したうえで、ステップＳ１に戻る（ステップＳ７）。
【００３４】
ステップＳ８でＹｅｓの場合には、比較器３２が、積算変数ＣＴが所定の閾値（例えば、３）以上であるか否かを判定する（ステップＳ９）。ステップＳ９でＮｏの場合には、ステップＳ１に戻る。ステップＳ９でＹｅｓの場合には、燃料低減制御部３３が、主燃料ガス供給弁１０（図１参照）の１サイクルにおける燃料噴射期間を低減させる制御を実行する（ステップＳ１０）。なお、その後の所定時間（例えば、３０秒）の間に、積算変数ＣＴが閾値（例えば、３）以上となることが無ければ、燃料低減制御部３３は、燃料噴射期間低減制御を停止し、燃料噴射期間を通常通りに復帰させる。
【００３５】
次いで、図３及び４に示すように、燃料減気筒数判定部３９は、全気筒のうち燃料噴射期間低減制御が実行された気筒数Ｎが所定値（例えば、１）を超えるか否かを判定する（ステップ１１）。ステップＳ１１でＮｏの場合には、積算変数ＣＴにゼロを代入してステップＳ１に戻る（ステップＳ７）。ステップＳ１１でＹｅｓの場合には、出力リミッタ部３７は、前述した数式１を用いて、ガスエンジン２（図１参照）の出力上限値を下げる出力制限制御を実行する（ステップＳ１２）。出力上限値を下げた後は、積算変数ＣＴにゼロを代入して（ステップＳ７）、ステップＳ１に戻る。
【００３６】
以上に説明した構成によれば、所定強度以上のノッキングの発生回数を積算変数ＣＴに累積的に加算し、その積算変数ＣＴが閾値以上となった場合には、燃料低減制御部３３により燃料噴射期間が低減されるので、設定サイクル数の経過を待たずとも、ノッキングの発生状況が気筒３の出力制御に反映される。よって、ノッキングの制御に遅れが生じることを防止することができ、制御応答性が向上する。また、ノッキング判定装置２４が所定強度以上のノッキングが発生しなかったと判定した場合でも、積算変数ＣＴはリセットされることなく、積算変数ＣＴから所定数（例えば、１）を減算するだけにしているので、ノッキングが瞬間的に集中して発生した場合には積算変数ＣＴが速やかに閾値以上となり、ノッキングの発生が十分に抑制される。
【００３７】
さらに、ノッキング判定装置２４により判定された所定強度以上のノッキングが設定サイクル数の間に所定回数（例えば、２回）以上発生した場合に、その気筒３に対する点火タイミングが遅角制御部３５により遅角されるので、仮に積算変数ＣＴが閾値以上にならない状態でノッキングが多く発生した場合でも、ノッキングの発生が抑制される。
【００３８】
また、ガスエンジン２の全気筒のうち複数の気筒３で燃料噴射期間低減制御が同時に実行された場合には、ガスエンジン２全体として目標出力を達成するために、残りの気筒において負荷が増加してノッキングが誘発される可能性があるし、過負荷となることがある。しかし、本発明では、積算変数ＣＴが閾値以上となった気筒３が所定数（例えば、１）を超える場合には、出力リミッタ部３７においてガスエンジン２の出力上限値ＬＤが下げられるので、残りの気筒でノッキングが誘発されることが防止されるし、過負荷となることも防止できる。
【００３９】
なお、本実施形態では、混合気を着火する方式として、副燃焼室１１内の混合気を点火プラグ１５により点火する、いわゆる副燃焼室・火花点火方式を採用しているが、その他の方式を採用してもよい。例えば、高圧ガス燃料を噴射するパイロット燃料噴射弁をガスエンジンに設け、燃焼室内の圧縮混合気に対してパイロット燃料噴射弁により高圧ガス燃料を噴射することによって混合気を着火する、いわゆるパイロット燃料噴射方式を採用してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
以上のように、本発明に係るガスエンジンのノッキング制御装置は、制御応答性が良好でノッキングの発生を十分に抑制することができる優れた効果を有し、この効果の意義を発揮できる発電用ガスエンジン等に広く適用すると有益である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施形態に係るガスエンジンのノッキング制御装置を示す構成図である。
【図２】図１に示すノッキング判定装置が行う燃焼状態判定を説明する図面である。
【図３】図１に示す主制御装置のノッキング制御に関する機能ブロック図である。
【図４】図１に示す主制御装置が実行するノッキング制御を説明するフローチャートである。
【図５】図１に示す主制御装置が実行するノッキング制御のうち燃料噴射時間低減制御を説明するタイミングチャートである。
【符号の説明】
【００４２】
１  ノッキング制御装置
２  ガスエンジン
３  気筒
２０  主制御装置（制御手段）
２４  ノッキング判定装置（ノッキング判定手段）
３０  積算変数演算部（積算変数演算手段）
３３  燃料低減制御部
３５  遅角制御部
３７  出力リミッタ部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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