(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスを燃焼させる燃焼手段から排出された排ガスの酸素濃度の少なくとも変化傾向を検出する酸素濃度検出装置であって、
供給手段により前記排ガスの少なくとも一部が内部に供給される検出流路を備え、
前記検出流路内の酸素濃度を検出する酸素センサを備え、
前記酸素センサで検出された前記酸素濃度の変化傾向を検出する変化傾向検出手段を備え、
前記検出流路内の酸素を選択的に外部に排出可能な酸素ポンプを備え、
前記酸素センサで検出された前記酸素濃度に基づいて、前記検出流路内の酸素濃度が所定の範囲内になるように前記酸素ポンプの出力を設定する設定手段を備えた酸素濃度検出装置。
【請求項２】
前記供給手段が、前記検出流路の排ガスを吸引して外部に排出することにより、導入路から前記検出流路に排ガスを導入する吸引ポンプである請求項１に記載の酸素濃度検出装置。
【請求項３】
前記検出流路の前記排ガスの流れ方向に副って順に設けられた第１酸素センサ及び第２酸素センサを備え、
前記酸素ポンプが、前記検出流路の前記排ガスの流れ方向に副った前記第１酸素センサと前記第２酸素センサとの間に設けられたものであり、
前記変化傾向検出手段が、前記第２酸素センサで検出された前記酸素濃度の変化傾向を検出する手段であり、
前記設定手段が、前記第１酸素センサで検出された前記酸素濃度に基づいて、前記検出流路内の酸素濃度が所定の範囲内となるように前記酸素ポンプの出力を設定する手段である請求項１又は２に記載の酸素濃度検出装置。
【請求項４】
燃料ガスの燃焼化学当量値の変化傾向を検出する検出装置であって、
前記燃料ガスと、前記燃料ガスの燃焼用の酸素含有ガスとが供給される流路を備え、
前記流路に、前記流路を流通する燃料ガスを燃焼させる燃焼手段と、
前記燃焼手段から排出された排ガスの酸素濃度の変化傾向を前記燃料ガスの燃焼化学当量値の変化傾向として検出する請求項１から３の何れか１項に記載の酸素濃度検出装置を備えた検出装置。
【請求項５】
前記燃焼手段から前記酸素濃度検出装置の検出流路へ流入する前記排ガスの流量を設定する排ガス流量設定手段を備えた請求項４に記載の検出装置。
【請求項６】
ガス供給部からの酸素含有ガスと燃料ガスとの混合気が供給される燃焼室と、前記酸素含有ガスと前記燃料ガスとの空燃比を調整可能な空燃比調整手段とを備えた内燃機関であって、
前記ガス供給部の燃料ガスの燃焼化学当量値の変化傾向を検出する請求項４又は５に記載の検出装置を備え、
前記検出装置により検出された前記変化傾向に基づいて、前記空燃比調整手段を働かせて、前記空燃比をフィードフォワード制御する制御手段とを備えた内燃機関。
【請求項７】
前記制御手段が、前記検出手段により検出された前記変化傾向に基づいて、前記空気と混合される前記燃料ガスの燃焼化学当量値を予測し、前記予測した前記燃焼化学当量値に基づいて、前記空燃比をフィードフォワード制御する手段である請求項６に記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料ガスを燃焼させる燃焼手段から排出された排ガスの酸素濃度の少なくとも変化傾向を検出する酸素濃度検出装置に関し、その酸素濃度検出装置を備え、燃料ガスの燃焼化学当量値の変化傾向を検出する検出装置に関し、さらに、その検出装置を備え、ガス供給部からの酸素含有ガスと燃料ガスとの混合気が供給される燃焼室と、前記酸素含有ガスと前記燃料ガスとの空燃比を調整可能な空燃比調整手段とを備えた内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料ガスを燃焼させる燃焼手段から排出された排ガスの酸素濃度を検出するための酸素センサとして、酸素イオン伝導性のジルコニア等の固体電解質材の両面に電極を形成し一方の電極の表面を燃料ガスに暴露せしめてその酸素濃度に応じて電極間より検出信号を出力するように構成されている酸素センサがあり、このような酸素センサとしては、検出信号として固体電解質材の両面における酸素分圧比に応じて発生する起電力を検出する濃淡電池式ものや、固体電解質材と電極とで酸素のポンピングセルとなし、電極間に所定の電圧を印加して燃料ガスの酸素濃度に応じたポンピング電流を出力する限界電流式のものがある。また、このような酸素センサは、酸素濃度が０に近いとき、言い換えれば燃焼手段に供給される混合気の当量比が１に近いときに、高感度で排ガスの酸素濃度を検出することができるが、混合気の当量比が１よりも大幅に小さくなり、排ガスの酸素濃度が大幅に高くなると、検出感度が著しく低下する。
また、酸素センサは主にエンジンの排気路に設けられ、エンジンの燃焼室に供給される空気と燃料ガスとの空燃比のフィードバック制御用として利用される場合が有る。詳しくは、燃焼室から排出された排ガスの酸素濃度を酸素センサで検出して、その検出結果に基づいて、エンジンの空燃比調整手段を働かせ、燃焼室に供給されている混合気の空燃比を適切なものに制御するのである。
【０００３】
一方、ランドフィルガスやダイジェスターガスやスウェジガス等のように有機性廃棄物のバクテリアによる分解で発生するメタンを含むバイオガスや、塗装工場や半導体・電子部品製造工場から排出される有機溶剤等を含むオフガスなどを燃料ガスとして用いて発電を行う方法として、この燃料ガスを内燃機関としてのガスエンジンに供給してガスエンジンで発電する方法と、この燃料ガスをボイラの熱源として用いてスチームタービンにより発電する方法がある。
特に５００〜５０００ｋＷクラスの中規模設備では、前者の発電方法の発電効率は３５％程度であることに比べて、後者の発電方法の発電効率は高々２０％程度であり、前者の発電方法のほうが発電効率を高くすることができ有利である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記のようなバイオガスやオフガスにおいては、該ガスを発生する要素の状態変化により、燃焼化学当量値が数十分間に２０〜３０％程度変化することがある。
従来のガスエンジンは、ノッキング又は失速又は停止を回避するために、直接ノッキングや燃焼室内の失火等を検出するか、又は排ガスの酸素濃度を検出して、燃焼室内の燃焼状態を検出し、空気と燃料ガスとの空燃比をフィードバック制御するように構成されている。しかし、このように構成されたガスエンジンは、燃焼ガスの燃焼化学当量値の変化に対して、燃焼室に供給される空気と燃料ガスとの空燃比を瞬時に追随させることは困難であるため、供給される燃料ガスの燃焼化学当量値が大幅に変化すると、燃焼室に供給される混合気の当量比が変化してしまい、ノッキングや、失速又は停止を回避することは困難であった。
また、このような燃料ガスの燃焼化学当量値の変化を緩和させるために、燃焼室に供給される前の燃料ガスを、ガスタンクに一次貯蔵して、ガスタンクから燃焼室に燃料ガスを供給する場合がある。しかし、上記のようなバイオガス等の燃焼化学当量値の変化を充分に緩和させるためには、数千ｍ3のガスタンクを必要とすることがあり、設備の大型化の原因となっていた。
従って、本発明は、上記の事情に鑑みて、燃料をある程度の空気過剰状態で燃焼させて排出された排ガスを利用しても、酸素センサによりその排ガスの酸素濃度の変化傾向を高感度で検出することができる酸素濃度検出装置と、この酸素濃度検出装置を利用して、前記燃料ガスの燃焼化学当量値の変化傾向を検出することができる検出装置と、このような検出装置を利用して、供給される燃料ガスの燃焼化学当量値が変化しても、好ましい運転状態を維持することができるガスエンジン等の内燃機関とを実現することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
〔構成１〕
本発明に係る酸素濃度検出装置は、請求項１に記載したごとく、燃料ガスを燃焼させる燃焼手段から排出された排ガスの酸素濃度の少なくとも変化傾向を検出する酸素濃度検出装置であって、
供給手段により前記排ガスの少なくとも一部が内部に供給される検出流路を備え、
前記検出流路内の酸素濃度を検出する酸素センサを備え、
前記酸素センサで検出された前記酸素濃度の変化傾向を検出する変化傾向検出手段を備え、
前記検出流路内の酸素を選択的に外部に排出可能な酸素ポンプを備え、
前記酸素センサで検出された前記酸素濃度に基づいて、前記検出流路内の酸素濃度が所定の範囲内になるように前記酸素ポンプの出力を設定する設定手段を備えたことを特徴とする。
【０００６】
〔作用効果〕
即ち、本発明の酸素濃度検出装置は、供給手段により燃焼手段から排出される排ガスの一部又は全部を検出流路に取り入れ、変化傾向検出手段により酸素センサを働かせて、検出流路内の排ガスの酸素濃度の変化傾向を検出するように構成されている。
しかし、このような酸素センサは、ある所定の酸素濃度の範囲内においては、酸素濃度の変化に対して、高感度に検出信号を出力することができるが、その範囲外の酸素濃度に対しては感度が著しく低下することが有る。
そこで、本発明の酸素濃度検出装置は、検出流路内の酸素を選択的に外部へ排出することができる酸素ポンプと、その酸素ポンプの出力を設定する設定手段とを備えており、設定手段は、前記検出流路内の酸素濃度が上記の酸素センサが高感度で働くことができる所定の範囲内となるように、酸素ポンプの出力を設定する。
よって、酸素センサによって検出される排ガスの酸素濃度は、その酸素センサ近傍に設けられた酸素ポンプにより高感度に検出可能な範囲内に好適に維持されることになり、酸素センサにより高感度で酸素濃度の例えば微小な変化傾向を高感度で検出することができる。
また、このような酸素濃度検出装置において、排ガスの酸素濃度自身を検出したい場合は、酸素センサにより検出された酸素濃度と、前記酸素ポンプの設定出力から、排ガスの酸素濃度の絶対値を求めることができる。
【０００７】
また、本発明の酸素濃度検出装置で利用される酸素センサ及び酸素ポンプとしては、酸素イオン伝導性のジルコニア等の固体電解質材を用いた酸素センサ及び酸素ポンプがある。このような酸素センサは、固体電解質材の両面に電極を形成し一方の電極の表面を燃料ガスに暴露せしめてその酸素濃度に応じて電極間より検出信号を出力するように構成され、検出信号として固体電解質材の両面における酸素分圧比に応じて発生する起電力を検出する濃淡電池式ものや、固体電解質材と電極とで酸素のポンピングセルとなし、電極間に所定の電圧を印加して燃料ガスの酸素濃度に応じたポンピング電流を出力する限界電流式のものがある。また酸素ポンプは、前記限界電流式のものと同様に、固体電解質材と電極とで酸素のポンピングセルとなし、電極間に電圧を印加して、検出流路の酸素を選択的に外部に排出するものである。
【０００８】
〔構成２〕
本発明に係る酸素濃度検出装置は、請求項２に記載したごとく、上記構成１の酸素濃度検出装置の構成に加えて、前記供給手段が、前記検出流路の排ガスを吸引して外部に排出することにより、導入路から前記検出流路に排ガスを導入する吸引ポンプであることが好ましい。
【０００９】
〔作用効果〕
上記のような酸素濃度検出手段は、燃焼手段から排出された排ガスの酸素濃度の変化傾向を検出するものであるが、装置の小型化等を図るべく、排ガスの一部を検出流路に供給して、少ない量の排ガスの酸素濃度を検出するように構成することが好ましい。
しかし、このように排ガスの一部を検出流路に供給するためには、ポンプ等の供給手段により排ガスを検出流路に供給する必要が有るが、検出流路の上流側にポンプを設けると、検出流路内の排ガスの流れが乱れ、酸素センサの検出精度低下の原因となる。
そこで、本発明の酸素濃度検出装置は、前記吸引ポンプにより検出流路の排ガスを外部に排出することで、排ガスが流通する排ガス流路等と前記検出流路とを接続する導入路を介して、前記排ガス流路等から排ガスを検出流路に供給することができ、さらに、導入路にポンプ等を設けていないので、検出流路に供給された排ガスは殆ど乱れること無く検出流路を流れることになり、酸素センサの検出精度を高く維持することができる。
従って、高精度に酸素濃度の変化傾向を検出可能な本発明の酸素濃度検出装置を簡単に構成することができる。
【００１０】
〔構成３〕
本発明に係る酸素濃度検出装置は、請求項３に記載したごとく、上記構成１又は２の酸素濃度検出装置の構成に加えて、前記検出流路の前記排ガスの流れ方向に副って順に設けられた第１酸素センサ及び第２酸素センサを備え、
前記酸素ポンプが、前記検出流路の前記排ガスの流れ方向に副った前記第１酸素センサと前記第２酸素センサとの間に設けられたものであり、
前記変化傾向検出手段が、前記第２酸素センサで検出された前記酸素濃度の変化傾向を検出する手段であり、
前記設定手段が、前記第１酸素センサで検出された前記酸素濃度に基づいて、前記検出流路内の酸素濃度が所定の範囲内となるように前記酸素ポンプの出力を設定する手段であることを特徴とする。
【００１１】
〔作用効果〕
本構成の如く、変化傾向検出手段により検出流路の酸素濃度の変化傾向を検出するための第２酸素センサと、第２酸素センサの検出流路上流側に酸素ポンプを設けて本発明の酸素濃度検出装置を構成した場合、設定手段により酸素ポンプの出力設定を行うために検出流路の酸素濃度を検出する第１酸素センサを、酸素ポンプの検出流路上流側に設けることができる。このように構成することで、酸素ポンプは、その上流側の酸素濃度に基づいて出力が設定されて、酸素ポンプの下流側の排ガスの酸素濃度が前記第２酸素センサが高感度に酸素濃度の変化傾向を検出することができる所定の範囲内に設定され、好ましい状態で第２酸素センサにより排ガスの酸素濃度の変化傾向を高精度に検出することができる。
【００１２】
〔構成４〕
本発明に係る検出装置は、請求項４に記載したごとく、燃料ガスの燃焼化学当量値の変化傾向を検出する検出装置であって、
前記燃料ガスと、前記燃料ガスの燃焼用の酸素含有ガスとが供給される流路を備え、
前記流路に、前記流路を流通する燃料ガスを燃焼させる燃焼手段と、
前記燃焼手段から排出された排ガスの酸素濃度の変化傾向を前記燃料ガスの燃焼化学当量値の変化傾向として検出する請求項１から３の何れか１項に記載の酸素濃度検出装置を備えたことを特徴とする。
【００１３】
〔作用効果〕
本発明の検出装置は、本構成のごとく、流路に、ガス供給部等の燃料ガスとその燃料ガスが充分に燃焼するための空気（酸素含有ガスの一例）を取り込み、流路に混合気を形成する。
そして、流路の混合気を、酸化触媒等で構成された燃焼手段により燃焼させる。すると、燃焼手段から排出される排ガスの酸素濃度は、燃料ガスの燃焼により酸素が消費されたので、燃焼する前の混合気の酸素濃度よりも低下した状態となっており、その低下量は、前記燃料ガスの燃焼化学当量値の変化に基づいて変化することになる。
そして、前記酸素濃度検出装置により検出された、その燃料手段の下流側の流路に排出された排ガスの酸素濃度の変化傾向は、燃焼手段において酸素を消費する燃料ガスの燃焼化学当量値の変化傾向に対応したものとなり、酸素濃度の変化傾向を燃料ガスの燃焼化学当量値の変化傾向として検出することができるのである。
従って、本発明の検出装置により、燃料ガスの燃焼化学当量値の変化傾向を高精度に検出することができる。
【００１４】
〔構成５〕
本発明に係る検出装置は、請求項５に記載したごとく、上記構成４の検出装置の構成に加えて、前記燃焼手段から前記酸素濃度検出装置の検出流路へ流入する前記排ガスの流量を設定する排ガス流量設定手段を備えたことを特徴とする。
【００１５】
〔作用効果〕
本発明の検出装置に、本構成の如く、前記排ガス流量設定手段を設けることで、燃焼手段から排出され前記酸素濃度検出装置の検出流路へ流入する排ガスの流量を安定したものに設定することができ、検出流路における排ガスの流量を安定させることで、排ガスの流量変動に起因する排ガスの酸素濃度の変化傾向の検出誤差を最小限に抑えることができる。
従って、排ガスの酸素濃度に対応する燃料ガスの燃焼化学当量値の変化傾向を一層高精度に検出することができる。
【００１６】
〔構成６〕
本発明に係る内燃機関は、請求項６に記載したごとく、ガス供給部からの酸素含有ガスと燃料ガスとの混合気が供給される燃焼室と、前記酸素含有ガスと前記燃料ガスとの空燃比を調整可能な空燃比調整手段とを備えた内燃機関であって、前記ガス供給部の燃料ガスの燃焼化学当量値の変化傾向を検出する請求項４又は５に記載の検出装置を備え、
前記検出装置により検出された前記変化傾向に基づいて、前記空燃比調整手段を働かせて、前記空燃比をフィードフォワード制御する制御手段とを備えたことを特徴とする。
【００１７】
〔作用効果〕
通常、内燃機関のガス供給部の燃料ガスは、例えば１０秒程度後に空気と混合されて混合気となり、燃焼室に供給される。そして、このガス供給部の燃料ガスの燃焼化学当量値が変化すると、１０秒程度後に、エンジンの運転状態に影響を与え、ノッキングが発生したり、失速又は停止する。
そこで本発明の内燃機関は、上記構成４又は５の検出装置により、後に空気（酸素含有ガスの一例）が供給されて混合気となり内燃機関に供給される燃料ガスの燃焼化学当量値の変化状態や変化率等の変化傾向を検出し、制御手段により、検出装置の検出結果に基づいて、この検出結果を示す燃料ガスに空気が供給され混合気が形成される時点において、空燃比調整手段で設定する空気と燃料ガスとの空燃比を、混合気の当量比が内燃機関の運転状態を安定させることができる程度となるようににフィードフォワード制御することができ、内燃機関の燃料ガスの燃焼化学当量値の変化に起因するノッキングの発生や失速若しくは停止を防止することができる。
従って、供給される燃料ガスの燃焼化学当量値が変化しても、好ましい運転状態を維持することができる内燃機関を実現することができる。
【００１８】
〔構成７〕
本発明に係る内燃機関は、請求項７に記載したごとく、上記構成６の内燃機関の構成に加えて、前記制御手段が、前記検出手段により検出された前記変化傾向に基づいて、前記空気と混合される前記燃料ガスの燃焼化学当量値を予測し、前記予測した前記燃焼化学当量値に基づいて、前記空燃比をフィードフォワード制御する手段であることを特徴とする。
【００１９】
〔作用効果〕
本発明の内燃機関において、検出手段により燃焼化学当量値を検出してから空燃比調整手段を制御する迄にかかる制御時間が、燃料ガスが検出手段から空気と混合され混合気となる迄にかかる流通時間よりも長い場合は、空気と燃料ガスとの空燃比を燃料ガスの燃焼化学当量の変化傾向に応じて好適に制御することが困難となるので、通常は、検出装置の検出対象は、前記流通時間が前記制御時間よりも長くなるようなガス供給部に流通している燃料ガスとされる。しかし、このように、流通時間を長く設定すると、検出結果と実際に空気と混合される燃料ガスの実際の燃焼化学当量値が異なる場合があり、燃焼室に供給される燃料ガスの燃焼化学当量値の変化傾向を正確に検出することが困難となる。
そこで、本構成の如く、制御手段を、検出された燃料ガスの燃焼化学当量値の変化傾向から、例えば検出装置により燃料化学当量値の変化傾向を検出された燃料ガスが空気と混合され混合気となる迄にかかる流通時間を考慮して、空気と混合される時点における燃料ガスの燃焼化学当量値を予測して、前記空燃比調整手段を制御するように構成することで、前記制御時間が前記流通時間より長い場合でも、空燃比を適切に制御することができる。
従って、供給される燃料ガスの燃焼化学当量値が変化しても、空燃比を適切に制御して、好ましい運転状態を維持することができる内燃機関を実現することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の酸素濃度検出装置及び検出装置及び内燃機関の実施の形態について、図面に基づいて説明する。
図１は、本実施例の構成図である。１は内燃機関の一例としてのガスエンジンである。ガスエンジン１の吸気系は、エアクリーナ等により浄化された空気をガスエンジン１の燃焼室７へ導く吸気路３により構成さている。さらに、吸気路３に、空気と燃料ガスとを混合して理論空燃比より若干希薄な混合気を形成するミキサ４、燃焼室７に供給する混合気量を調節するスロットルバルブ５が配設されている。また、燃料ガスをガス供給源からミキサ４へ供給するガス供給路６（ガス供給部の一例）を有しており、さらに、ガス供給路６には、ミキサ４へ供給する燃料ガス量を調整して、ミキサ４によって空気に供給される燃料ガスの供給量を調整し、吸気路３における空気と燃料ガスとの空燃比を調整するための調整弁８（空燃比調整手段の一例）が設けられている。ここで、この調整弁８が制御装置２０による空燃比制御用に利用される。
一方、ガスエンジン１の排気系は、燃焼室７から排出された排ガスを外部へ導く排気路１０により構成されている。
１４はガスエンジンのシリンダに設けられた点火プラグである。
【００２１】
制御装置２０は、後述の酸素センサ５５の出力信号から前記燃料ガスの燃焼化学当量値の変化傾向を検出するための変化傾向検出手段２０ａと、前記変化傾向検出手段２０ａにより検出された燃料ガスの燃焼化学当量値の変化傾向に基づいて、前述の調整弁８の制御量を決定して、その制御量に応じた制御信号を出力して、ミキサ４における空気と燃料ガスとの空燃比をフィードフォワード制御するための空燃比制御手段２０ｂを備えている。
【００２２】
さらに、ガスエンジン１には、ガス供給路６の燃料ガスの燃焼化学当量値の変化傾向を検出する検出装置３０を備えている。
詳しくは、検出装置３０には、流路３９が設けられており、流路３９は、ガス供給路６から抽出した燃料ガスを流路３９に供給するためのガス抽出路３１と、流路３９に空気を供給するための空気流路３３と、流路３９に窒素ガス等の不活性ガスを供給するための不活性ガス路３６とが接続されている。尚、ガス供給路６内の圧力は所定の値に維持されており、ガス供給路６から所定量の燃料ガスがガス抽出路３１に流入し、その燃料ガスの流量を制御装置２０により監視するための流量計３２がガス抽出路３１に設けられている。
尚、ガス供給路６から所定量の燃料ガスをガス抽出路３１を介して流路３９に流入させるために、前記ガス抽出路３１に調整弁４１を設けて、前記制御装置２０により流量計３２により計測された燃料ガスの流量を監視しながら調整弁４１を制御して、前記ガス抽出路３１を流通する燃料ガスの流量を所定量に設定するように構成することもできる。
【００２３】
空気流路３３には、流路３９へ供給する空気の流量を調整するための調整弁３４と、その空気の流量を計測するための流量計３５が設けられており、制御装置２０は、流量計３５により計測された空気の流量を監視しながら調整弁３４を制御して、流路３９に供給する空気の流量を、後に説明する触媒燃焼部４０において流路３９に供給される燃料ガスを充分に燃焼させることができる程度に、言い換えれば流路３９に形成される混合気の当量比が１以下即ち空気過剰となるように設定する。
同じく、不活性ガス流路３６には、流路３９へ供給する不活性ガスの流量を調整するための調整弁３７と、その不活性ガスの流量を計測するための流量計３８が設けられており、制御装置２０は、流量計３８により計測された不活性ガスの流量を監視しながら調整弁３７を制御して、流路３９に供給する不活性ガスの流量を制御することができる。
【００２４】
さらに、検出装置３０の流路３９には、流路３９に供給された空気と燃料ガスとの混合気を触媒接触燃焼させる触媒部４０ａと、触媒部４０ａを加熱して触媒部４０ａを加熱するヒータ４０ｂとを有する触媒燃焼部４０（燃焼手段の一例）が設けられており、流路３９の燃料ガスを燃焼させて燃焼させることができる。
尚、触媒部４０ａの温度は理論燃焼温度程度に設定することが好ましく、制御装置２０は、図示しない温度センサにより触媒部４０ａの温度を監視しながら、前記調整弁３７を制御して、触媒部４０ａの温度が１０００℃〜２０００℃程度の理論燃焼温度となるように流路３９に供給する不活性ガスの流量を制御する。
【００２５】
また、流路３９の触媒燃焼部４０の下流側には、流路３９において触媒燃焼部４０から排出される排ガスの酸素濃度を検出するための酸素濃度検出装置６０が設けられている。酸素濃度検出装置６０は導入路５０により検出流路５１に接続されており、導入路５０には、キャピラリ５３が設けられており、さらに、検出流路５１に接続された排出路５２には、オリフィス５７と吸引ポンプ５８（供給手段の一例）が設けられている。酸素濃度検出装置６０は、この導入路５０及び吸引ポンプ５８により、検出流路５１の排ガスを吸引して外部に排出することで、流路３９に流通する排ガスの一部を検出流路５１に供給することができ、検出流路５１内の排ガスの流れが乱れを抑制することができる。
【００２６】
また、検出流路５１には、供給された排ガスの酸素濃度を検出する第１酸素センサ５４と第２酸素センサ５５とが設けられており、両酸素センサ５４，５５は、酸素イオン伝導性のジルコニア等の固体電解質材を用いた酸素センサであり、検出された酸素濃度に応じる信号を制御装置２０に出力するように構成されている。
さらに、検出流路５１の排ガスの流れ方向に副った両酸素センサ５４，５５の間には、酸素ポンプ５６が設けられており、酸素ポンプ５６は、酸素センサと同様の固体電解質材と電極とで酸素のポンピングセルとなし、電極間に電圧を印加して、検出流路５１の酸素を選択的に外部に排出することができるものである。
そして、前記制御装置２０には、設定手段２０ｃが設けられ、設定手段２０ｃは、第１酸素センサ５４で検出された検出流路５１の前記酸素ポンプ５６の上流側の酸素濃度に基づいて、検出流路５１内の酸素濃度が所定の範囲内のほぼゼロとなるように酸素ポンプ５６の出力を設定する。これは、酸素濃度がゼロ付近で高感度を示す第２酸素センサ５５により、酸素濃度の変化傾向を高感度で検出するためである。
このように構成することで、第２酸素センサ５５で検出される酸素濃度の変化傾向は、流路３９に供給された燃料ガスの燃焼化学当量値の変化に起因する流路３９の混合気の当量比の変化傾向を示すものとなり、制御装置２０の変化傾向検出手段２０ａにより、この第２酸素センサ５５で検出される当量比の変化傾向を燃料ガスの燃焼化学当量値の変化傾向として検出するすることができる。
【００２７】
そして、ガスエンジン１の制御装置２０に設けられた空燃比制御手段２０ｂは、変化傾向検出手段２０ａにより検出された燃料ガスの燃焼化学当量値の変化傾向から、検出タイミングと検出対象の燃料ガスがミキサ４に供給されるタイミングの差を考慮して、ミキサ４により吸気路３に供給される時点における燃料ガスの燃焼化学当量値を予測して、調整弁８を制御するように構成されている。
よって、例えば、ランドフィルガスやダイジェスターガスやスウェジガス等のように有機性廃棄物のバクテリアによる分解で発生するメタンを含むバイオガスや、塗装工場や半導体・電子部品製造工場から排出される有機溶剤等を含むオフガス等の燃焼化学当量値が大幅に変化する可能性が有るガスをガスエンジン１の燃料ガスとして利用しても、吸気路３に供給する空気と燃料ガスとの空燃比を適切に制御して、ガスエンジン１を好ましい運転状態に維持することができる。
【００２８】
〔別実施の形態〕
次に、本発明の内燃機関としてのガスエンジン及び空燃比制御装置の別の実施の形態を図面に基づいて説明する。
〈１〉  上記の実施の形態において、酸素濃度検出装置６０の検出流路５１において、排ガスの流量の変動に起因する酸素センサ５４，５５の検出誤差が問題となることがある。そこで、検出流路５１に流入する排ガスの流量を所定量に設定する排ガス流量設定手段を設けることが好ましい。
このような排ガス流量設定手段としては、流量計により検出流路５１に流入する排ガス又は検出流路５１から排出される排ガスの流量を検出しながら、導入路５０等に設けた調整弁により検出流路５１に流入する排ガスの流量が所定量となるように調整するように構成することができるが、以下に説明するように構成することもできる。
即ち、所定量の燃料ガスが供給される触媒燃焼部４０に供給する空気の流量を、空気流路３３の調整弁３４により変化させると、前記触媒燃焼部４０から排出される排ガスの流量が変化し、結果、検出流路５１に流入する排ガスの流量も変化する。
このことを利用して、検出流路５１から排出路５２に排出された排ガスの流量を検出する流量計５９を排出路５２に備えると共に、制御装置２０を、流量計５９により検出される排ガスの流量が所定量となるように、空気流路３３の調整弁３４を制御して、触媒燃焼部４０に供給する空気の流量を制御するように構成して、検出流路５１に流入する排ガスの流量を設定する排ガス流量設定手段手段とすることができる。
【００２９】
〈２〉  上記実施の形態において、検出装置３０の流路３９に不活性ガスを供給することで触媒部４０ａの温度を調整する構成を説明したが、不活性ガスを触媒部４０ａとヒータ４０ｂの間に供給して、触媒部４０ａの温度を調整しても構わない。
【００３０】
〈３〉  上記実施の形態において、燃料ガスは、燃焼化学当量値が大幅に変化する可能性があるものであるので、燃料ガスの流量計３２としては、乱流域で使用される差圧式流量計よりも、層流素子を備え、層流域で使用される差圧式流量計を利用することが好ましく、その燃料ガスの組成変化に起因する検出流量誤差を最小限に抑えることができる。
【００３１】
〈４〉  本発明に係る内燃機関は、ガスエンジン１の他に、ガスタービン等として構成することもできる。
【００３２】
〈５〉  上記実施の形態において、一般的な例として、燃料ガスの燃焼のための酸素含有ガスとして空気を利用したものを説明したが、空気の以外の酸素含有ガスとしては、例えば、酸素成分含有量が空気に対して高い酸素富化ガス等を利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の内燃機関としてのガスエンジン及び空燃比制御装置の実施の形態を示す概略構成図
【符号の説明】
１        ガスエンジン（内燃機関）
３        吸気路
４        ミキサ
５        スロットルバルブ
６        ガス供給路
７        燃焼室
８        調整弁
１０      排気路
２０      制御装置
２０ａ    変化傾向検出手段
２０ｂ    空燃比制御手段
３０      検出装置
３１      ガス抽出路（ガス供給手段）
３３      空気流路（空気供給手段）
４０      燃焼手段
４０ａ    ヒータ
４０ｂ    触媒部
４２      酸素センサ
５０      導入路
５１      検出流路
５２      排出路
５３      キャピラリ
５４      第２酸素センサ
５５      第１酸素センサ
５６      酸素ポンプ
５７      オリフィス
５８      吸引ポンプ
５９      流量計
６０      酸素濃度検出装置
【図１】
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