(57)【要約】  ガスエンジン（１）に適用される燃焼安定化装置（１００）が、ガス燃料のメタン価を算出するメタン価算出部（６１）と、主室（３３）に供給される給気の圧力又は温度を調整するための給気調整部（７０）と、給気調整部（７０）を制御する給気制御部（６２）と、を備える。給気制御部（６２）は、メタン価算出部（６１）により算出されたガス燃料のメタン価に応じて給気圧又は給気温の補正量を設定し、給気圧又は給気温を設定された補正量だけ補正するように給気調整部（７０）を制御する。
2014054081.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスエンジンに適用される燃焼安定化装置であって、
ガス燃料のメタン価を検出するメタン価検出部と、
給気の圧力又は温度を調整するための給気調整部と、
前記給気調整部を制御する給気制御部と、を備え、
前記給気制御部は、前記メタン価検出部により検出されたガス燃料のメタン価に応じて給気圧又は給気温の補正量を設定し、給気圧又は給気温を設定された補正量だけ補正するように前記給気調整部を制御する、ガスエンジン用の燃焼安定化装置。
【請求項２】
ガス燃料のメタン価が低下すると、前記給気制御部は、給気圧を上昇させるように又は給気温を低下させるように補正し、
ガス燃料のメタン価が増加すると、前記給気制御部は、給気圧を低下させるように又は給気温を上昇させるように補正する、請求項１に記載のガスエンジン用の燃焼安定化装置。
【請求項３】
混合気を点火する点火装置と、
前記点火装置を制御する点火制御部と、を更に備え、
ガス燃料のメタン価が低下すると、前記点火制御部が点火時期を遅角するように補正し、ガス燃料のメタン価が増加すると、前記点火制御部が点火時期を進角するように補正する、請求項２に記載のガスエンジン用の燃焼安定化装置。
【請求項４】
前記給気制御部は、前記メタン価検出部により検出されたメタン価の現在値が過去値に対して第１の許容値を超えて変動したときに、前記給気圧又は給気温を補正し、
前記点火制御部は、前記メタン価検出部により検出されたメタン価の現在値が過去値に対して前記第１の許容値よりも大きい第２の許容値を超えて変動したときに、点火時期を補正する、請求項３に記載のガスエンジン用の燃焼安定化装置。
【請求項５】
前記ガスエンジンが、主室及び該主室に連通する副室を有する燃焼室を備え、前記副室内の空気過剰率がストイキオメトリ付近に保たれ、前記主室内の空気過剰率がリーンに保たれる、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のガスエンジン用の燃焼安定化装置。
【請求項６】
前記メタン価検出部が、気筒に供給されるガス燃料のメタン価を検出するメタン価センサで構成される、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のガスエンジン用の燃焼安定化装置。
【請求項７】
前記メタン価検出部が、気筒に供給されるガス燃料の発熱量を検出するカロリーメータ、気筒に供給されるガス燃料の組成を検出するガスクロマトグラフィ及び気筒から排出される燃焼排ガスの酸素濃度を検出する酸素濃度センサのうち少なくともいずれか一つと、当該いずれか一つの検出値に基づいてメタン価を算出するメタン価算出部とで構成される、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のガスエンジン用の燃焼安定化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、混合気の空燃比又は空気過剰率をリーンにして稼働するガスエンジンに適用される燃焼安定化装置に関し、特に、ガス燃料の性状に関わらず燃焼状態の安定化を図る燃焼安定化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスエンジンは、主たる燃料にガス燃料を用いる内燃機関であり、ディーゼルエンジンと比べて排ガス中の窒素酸化物を低減可能であるしＣＯ２排出量も少なく、地球環境に優しい内燃機関として脚光を浴びており、例えば、ガスエンジンで発電機を駆動する発電システムへの期待が高まってきている。近年、国内外を問わず産業用プラント内の発電システムにガスエンジンを適用しようとする動きや、舶用の推進及び発電システムにガスエンジンを適用しようとする動きも活発化している。【０００３】
従来から、ガスエンジンに対し、種々の燃焼室構造様式、燃焼方式及びこれらの組合せが提案されている。この組合せの主要例としての副室式ガスエンジンでは、燃焼室が、主室及び該主室と連通する副室を有し、主室を副室から区画する隔壁に連通穴が設けられている。副室式ガスエンジンでは、まず、副室内の混合気に着火させる。すると、副室内の燃焼ガスが、副室から連通穴を介して主室へと噴出され、噴出されたトーチが火種となり主室内の混合気を着火させる。副室から噴射するトーチの着火力が強いため、主室の空気過剰率を高くしても失火が生じにくくなり、一層の高効率化や低ＮＯＸ化を図ることができる。【０００４】
このように、ガスエンジンの近年の主流は、リーンバーン式である。リーンバーン式ガスエンジンで高効率を実現するには、燃焼制御が特に肝要である。高効率化の実現には、点火時期を進角し、燃焼状態をノッキングが発生するかどうかギリギリの状態とすることが有効である。一方、空気過剰率を高くすることで熱効率の向上が可能であるが、空気過剰率が高くなり過ぎれば、失火が生じやすくなる。よって、リーンバーン式ガスエンジンでは、空気過剰率や点火時期を調整して空気過剰率をノッキング限界と失火限界とで囲まれた狭い範囲内に安定的に収めるように燃焼制御を実行し、それにより燃焼状態の安定化と高効率の実現とを両立することが求められる。【０００５】
前述のとおり、ガスエンジンの適用範囲は、地理的にも分野的にも広がっていく傾向にある。例えば、ガスエンジンを船舶に搭載した場合には、停泊港でガス燃料の補給を受けることが想定される。しかし、ガス燃料の性状は、国ごとに、ガス供給業者ごとに異なる。同じ国で同じガス供給業者から供給されるガス燃料の性状でさえも、時間的に変動する場合がある。【０００６】
ガス燃料の性状は、着火性に影響を及ぼす。すると、想定された或る性状のガス燃料に対して燃焼制御を最適化していても、これとは異なる性状のガス燃料が供給された場合に、必ずしも燃焼状態を安定化することができないし、目標としていた出力及び効率を得られないおそれがある。状況によっては、ノッキングが許容範囲を超えて発生するほどに燃焼状態が不安定になることもあり得る。そこで従来、特許文献１に開示されるように、ガス燃料の性状の変動に対応するための技術が提案されている。【０００７】
特許文献１は、ガス燃料の性状が変化すると、着火促進剤又は着火抑制剤の添加量、シリンダの圧縮比、点火プラグの放電電圧、ガス燃料の供給量等を変化させる副室式ガスエンジンを開示しており、このような制御を行うことによって燃焼状態の安定化を図ろうとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−３１４３１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１のガスエンジンによれば、着火促進剤や着火抑制剤をガス燃料に添加するための設備を必要とし、また、シリンダを容積可変に構成しなくてはならず、設備全体の導入費及び維持費が高くなる。また、ガス燃料の着火性が変動したのでガス燃料の供給量をこれに応じて変動させるにしても、その供給量をどの程度変動させるのかについて考慮がなされていなければ、ノッキング又は失火が燃焼室室内で生じ、燃焼状態の安定を担保することができないおそれがある。【００１０】
そこで本発明は、ガスエンジンにおいて、ガス燃料の性状の変動に対応して燃焼状態を安定化することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本件発明者は、上記目的を達成すべくガスエンジン用の燃焼安定化装置を開発する過程で、ガス燃料の性状のうちメタン価は、着火性に影響を及ぼす因子であり、そのため燃焼状態に影響を及ぼす因子であるとの知見を得た。そこで、ガス燃料の性状が変動すると、燃焼制御のための条件を同一としていても、着火性の変動に伴って燃焼状態が変動すると着想した。一方、本件発明者は、燃焼安定化装置を開発する過程で、気筒に供給される給気の圧力及び温度も、燃焼状態に影響を及ぼす因子であるとの知見を得た。そこで、ガス燃料のメタン価が変動した場合には、メタン価と同様に燃焼状態に影響を及ぼす因子である給気の圧力及び温度を意図的に変動させることにより、メタン価の変動に伴う着火性の変動を相殺又は緩和して燃焼状態の変動を抑えることができるとの着想を得た。本発明は、上記目的を達成すべく、これら知見及び着想の下でなされたものである。【００１２】
すなわち、本発明に係る燃焼安定化装置は、ガスエンジンに適用される燃焼安定化装置であって、ガス燃料のメタン価を検出するメタン価検出部と、給気の圧力又は温度を調整するための給気調整部と、前記給気調整部を制御する給気制御部と、を備え、前記給気制御部は、前記メタン価検出部により検出されたガス燃料のメタン価に応じて給気圧又は給気温の補正量を設定し、給気圧又は給気温を設定された補正量だけ補正するように前記給気調整部を制御する。【００１３】
前記構成によれば、ガス燃料のメタン価が変動すると混合気の着火性に影響を及ぼすところ、このメタン価が変動して着火性が変動するおそれがあっても、給気圧又は給気温の補正により、この変動を相殺又は緩和することが可能になる。よって、メタン価の変動前後で燃焼状態を維持することができる。【００１４】
ガス燃料のメタン価が低下すると、前記給気制御部は、給気圧を上昇させるように又は給気温を低下させるように補正し、ガス燃料のメタン価が増加すると、前記給気制御部は、給気圧を低下させるように又は給気温を上昇させるように補正してもよい。【００１５】
前記構成によれば、メタン価の変動に伴う着火性の変動を、給気圧又は給気温の補正により効果的に相殺又は緩和することができる。メタン価の低下によりノッキングが生じやすくなったときに給気圧を上昇させたり給気温を低下させたりすると、給気の充填効率が向上して混合気の燃料濃度を低下させることができる。よって、ガス燃料の性状の変動によってノッキングが生じやすくなっても、これを抑えることができる。【００１６】
混合気を点火する点火装置と、前記点火装置を制御する点火制御部と、を更に備え、ガス燃料のメタン価が低下すると、前記点火制御部が点火時期を遅角するように補正し、ガス燃料のメタン価が増加すると、前記点火制御部が点火時期を進角するように補正してもよい。【００１７】
前記構成によれば、メタン価の変動に伴ってノッキングの生じやすさが変動したときに、点火時期を補正することで燃焼圧を変動させることができ、それによりノッキングの発生を抑えたり、効率を高めたりすることができる。【００１８】
前記給気制御部は、前記メタン価検出部により検出されたメタン価の現在値が過去値に対して第１の許容値を超えて変動したときに、前記給気圧又は給気温を補正し、前記点火制御部は、前記メタン価検出部により検出されたメタン価の現在値が過去値に対して前記第１の許容値よりも大きい第２の許容値を超えて変動したときに、点火時期を補正してもよい。【００１９】
前記構成によれば、メタン価の現在値が、過去値に対して、第１の許容値を超え且つ第２の許容値以下の範囲内で変動したときには、給気制御部による給気圧又は給気温の補正が行われる。このように変動幅が小さいときには給気の調整により、燃焼状態を安定化させることができる。メタン価の現在値が、過去値に対して第２の許容値を超えて変動したときには、給気制御部による給気圧又は給気温の補正と、点火制御部による点火時期の補正とが行われる。このように変動幅が大きいときには、給気だけでなく点火時期も調整されるので、性状変動により燃焼状態が大きく変動するおそれがあっても、燃焼状態の変動を抑制することができる。なお、第１の許容値はゼロを含む概念である。【００２０】
前記ガスエンジンが、主室及び該主室に連通する副室を有する燃焼室を備え、前記副室内の空気過剰率がストイキオメトリ付近を保ち、前記主室内の空気過剰率がリーンに保ってもよい。【００２１】
前記構成によれば、副室内では混合気の着火性の向上に重点をおくことができ、主室内では効率の向上に重点をおくことができる。このため、副室式のガスエンジンにおいて、性状変動に対応して給気圧や給気温を補正する燃焼制御を実行するにあたって、燃焼状態を安定化させることと効率を高めることとを両立することができる。【００２２】
前記メタン価検出部が、気筒に供給されるガス燃料のメタン価を検出するメタン価センサで構成されてもよい。また、前記メタン価検出部が、気筒に供給されるガス燃料の発熱量を検出するカロリーメータ、気筒に供給されるガス燃料の組成を検出するガスクロマトグラフィ及び気筒から排出される燃焼排ガスの酸素濃度を検出する酸素濃度センサのうち少なくともいずれか一つと、当該いずれか一つの検出値に基づいてメタン価を算出するメタン価算出部とで構成されてもよい。【００２３】
前記構成によれば、メタン価の変動を精度よく検出することができるので、ガス燃料の性状が変動してもこれに対処して異常燃焼が生じるのを回避することができる。
【発明の効果】
【００２４】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、ガスエンジンにおいて、ガス燃料の性状の変動に対応して燃焼状態を安定化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施形態に係る燃焼安定化装置を適用した副室式ガスエンジンの全体構成を示す概念図である。
【図２】本発明の実施形態に係る燃焼安定化装置の構成を、図１に示す気筒の構成と併せて示す概念図である。
【図３】図２に示す制御器の構成を示すブロック図である。
【図４Ａ】図３に示す給気圧マップを二次元直交座標系内で模式的に示すグラフである。
【図４Ｂ】図３に示す給気温マップを二次元直交座標系内で模式的に示すグラフである。
【図４Ｃ】図３に示す点火時期マップを二次元直交座標系内で模式的に示すグラフである。
【図５】図３に示す制御器により実行される燃焼制御の処理内容を示すフローチャートである。
【図６Ａ】図５に示す燃焼安定化処理の一例を示すフローチャートである。
【図６Ｂ】図５に示す燃焼安定化処理の一例を示すフローチャートである。
【図６Ｃ】図６Ａ及び／又は図６Ｂに示す処理と共に行われる燃焼安定化処理の一例を示すフローチャートである。
【図７】本発明の第２実施形態に係る燃焼安定化装置の制御器の構成を示すブロック図である。
【図８】図７に示すメタン価マップを二次元直交座標系内で模式的に示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。なお、同一の又は対応する要素には全ての図を通じて同一の符号を付し、重複する詳細な説明を省略する。
【００２７】
［第１実施形態］
（ガスエンジンの全体構成）
図１は、本発明の実施形態に係るガスエンジン１の全体構成を示す概念図である。図１に示すガスエンジン１は、ガス燃料を使用する４ストロークレシプロエンジンであり、燃焼室構造様式及び燃焼方式に「副室式火花点火」を採用していると共に、混合気の空燃比又は空気過剰率をリーンに保って稼働するリーンバーンガスエンジンである。ガスエンジン１は、ガス燃料を含む混合気を燃焼し、出力軸２で回転出力を発生する。出力軸２は、図１に示すように、例えば交流発電機３と接続される。ガスエンジン１を交流発電機３の駆動源に適用した発電システムは、産業用プラントに導入されてもよいし、船舶に搭載されてもよい。ガスエンジン１が船舶に搭載される場合、出力軸２を交流発電機３に替えて当該船舶の推進器に接続してもよい。
【００２８】
ガスエンジン１は、複数の気筒４を有したエンジン本体５を備えている。なお、気筒４の数及び配列は特に限定されない。ガスエンジン１には、給気を各気筒４に供給する給気ライン６と、排気を各気筒４から排出する排気ライン７と、給気ライン６及び排気ライン７に接続された過給機（ターボチャージャ）８とが設けられている。給気ライン６は、複数の気筒４に対して共通の共通部１１と、共通部１１を対応する気筒に接続する複数の分岐部１２（図２参照）とを含む。排気ライン７も、複数の気筒４に対して共通の共通部１６と、対応する気筒４を共通部１６に接続する複数の分岐部１７とを含む。給気ライン６の分岐部１２の下流端部は、エンジン本体５内に形成された給気ポート１２ａであり、対応する気筒４の燃焼室３２（詳しくは主室３３）に連通している（図２を参照）。排気ライン７の分岐部１７の上流端部は、エンジン本体５内に形成された排気ポート１７ａであり、対応する気筒４の燃焼室３２（詳しくは主室３３）に連通している（図２を参照）。過給機８は、排気ライン７の共通部１６上のタービン９と、給気ライン６の共通部１１上のコンプレッサ１０とを有している。過給機８は、排気ライン７を流れる排気により駆動され、給気ライン６を流れるエアを過給する。
【００２９】
ガスエンジン１には、ガス燃料を各気筒４に供給する燃料ライン２０が設けられている。燃料ライン２０は、燃料供給源（不図示）から延び、複数の気筒４に対して共通の共通部２１と、共通部２１から分岐し、共通部２１から対応する気筒４へとガス燃料を導く複数の分岐部２２とを含む。また、各気筒４には、主室燃料供給装置２６、副室燃料供給装置２７及び点火装置２８が設けられている。このように１つの気筒４に２つの燃料供給装置２６，２７が設けられているので、燃料ライン２０の分岐部２２には、ガス燃料を共通部２１から主室燃料供給装置２６に導く主分岐部２３と、ガス燃料を共通部２１から副室燃料供給装置２７に導く副分岐部２４とが含まれる。
【００３０】
図２は、本発明の実施形態に係る燃焼安定化装置１００の構成を、図１に示すガスエンジン１の気筒４の構成と併せて示す概念図である。なお、図２は、１つの気筒４のみの構成を示しているが、他の気筒４も同様の構成を有している。図２に示すように、各気筒４内には、ピストン３１が往復動自在に挿入されている。ピストン３１は不図示のコネクティングロッドを介して出力軸２に連結されている。
【００３１】
また、各気筒４には、混合気を燃焼させる燃焼室３２が設けられている。燃焼室３２は、ピストン３１の上面側に形成される主室３３と、主室３３と連通した副室３４とを有している。副室３４は、主室３３の上部に設けられた隔壁３５を介して主室３３と区画され、また、隔壁３５に形成された連通穴３６を介して主室３３と空間的に連通している。
【００３２】
エンジン本体５は、前述した給気ポート１２ａ及び排気ポート１７ａを有している。給気ポート１２ａは、給気ライン６の分岐部１２を構成し、その下流端部にて主室３３に連通している。排気ポート１７ａは、排気ライン７の分岐部１７を構成し、その上流端部にて主室３３に連通している。各気筒４には、給気弁３７及び排気弁３８が設けられている。給気弁３７は、給気ポート１２ａの下流端部を開閉し、排気弁３８は、排気ポート１７ａの上流端部を開閉する。
【００３３】
主室燃料供給装置２６は、燃料ライン２０の主分岐部２３上に介在し又は主分岐部２３の末端に設けられ、ガス燃料を給気ライン６の分岐部１２に供給する。本実施形態に係る主室燃料供給装置２６は、エンジン本体５に取り付けられ、給気ポート１２ａにガス燃料を供給する。副室燃料供給装置２７は、燃料ライン２０の副分岐部２４上に介在し又は副分岐部２４の末端に設けられ、ガス燃料を副室３４内に供給する。
【００３４】
本実施形態では、各気筒４に、前述の隔壁３５を有して副室３４を形成する副室形成部材３９が設けられており、副室形成部材３９は、隔壁３５が副室形成部材３９の下端部をなすようにして、シリンダ軸線に沿って延在している。燃料ライン２０の副分岐部２４は、副室形成部材３９の上部にて副室形成部材３９内へと延び、副室３４の内上面に開口している。副室燃料供給装置２７は、副室形成部材３９の外部に配置され、燃料ライン２０の副分岐部２４上に介在している。
【００３５】
主室燃料供給装置２６及び副室燃料供給装置２７は、例えば常閉電磁開閉弁であり、開弁指令が与えられている期間に開弁する。主室燃料供給装置２６が開弁している間、ガス燃料が給気ポート１２ａに供給される。副室燃料供給装置２７が開弁している間、ガス燃料が副室３４に供給される。点火装置２８は、副室形成部材３９に取り付けられており、火花を発生する部分が副室３４内に配置されている。点火装置２８は、例えば、通電時に火花を発生する電極を有した点火プラグである。
【００３６】
上記構成のガスエンジン１においては、ピストン３１が下動する給気行程では、給気弁３７が給気ポート１２ａを開き、主室燃料供給装置２６がガス燃料を給気ポート１２ａに供給する。これにより、過給機８からの給気と主室燃料供給装置２６からのガス燃料との混合気が、給気ポート１２ａから主室３３へと供給される。ピストン３１が上動する圧縮行程では、混合気が主室３３内で圧縮される。このとき、主室３３内の圧縮混合気が連通穴３６を通って副室３４内に供給される。そして副室燃料供給装置２７は、給気行程又は圧縮行程において、副室３４内にガス燃料を噴射する。これにより副室３４内の混合気の空気過剰率が、主室３３内の混合気の空気過剰率と比べて小さくなる。
【００３７】
圧縮行程が終了する時期の近傍で点火装置２８が動作し、副室３４内で火花が発生する。これにより副室３４内の混合気が着火し、副室３４内で火炎が発生する。副室３４内の火炎は連通穴３６を介して主室３３内へと噴出され、この噴出されたトーチが主室３３内の混合気を着火し、主室３３内で火炎が伝播していく。このようにして副室３４内及び主室３３内の混合気が燃焼し、ピストン３１が下動する。この膨張行程後の排気行程では、排気弁３８が排気ポート１７ａを開き、主室３３内及び副室３４内のガスが排気ライン７へと排出される。
【００３８】
（給気調整部）
排気ライン７を流れる排気は、過給機８のタービン９に供給され、タービン９から外気へと排出される。排気ライン７の共通部１６には、タービン９をバイパスするバイパスライン１８が接続されており、バイパスライン１５上には開度可変のバイパス弁１９が設けられている。バイパスライン１９の開度を調整することで、タービン９に供給される排気流量を調整することができ、それにより給気圧を調整することができる。
【００３９】
本実施形態に係るガスエンジン１には、給気圧を調整するための装置として、バイパス弁１９の他に、戻り弁１４と可変ノズル９ａとが適用されている。給気ライン６の共通部１１には、コンプレッサ１０よりも下流をコンプレッサ１０よりも上流に接続する戻りライン１３が接続されており、戻り弁１４は、戻りライン１３上に開度可変に設けられている。戻り弁１４の開度を調整することで、コンプレッサ１０から気筒４に供給される給気流量を調整することができ、それにより給気圧を調整することができる。可変ノズル９ａは、過給機８のタービン９に設けられている。可変ノズル９ａの動作に応じてタービンブレードの開口面積が変わる。可変ノズル９ａを制御することでタービン９の入口圧力を調整し、タービンの回転数を調整することにより給気圧を調整することができる。なお、可変ノズルはコンプレッサ側に設けられていてもよく、コンプレッサの入口圧力の調整を通じて給気圧が調整されてもよい。
【００４０】
ガスエンジン１には、給気を冷却するための冷却水が流れる冷却水ライン４０が設けられている。本実施形態では、冷却水は閉ループを成す冷却水ライン４０に沿って循環するが、ガスエンジン１が、外部より低温の冷却水を取水可能であり且つ給気と熱交換した後の冷却水を外部に排水可能な環境下におかれているのであれば、冷却水ライン４０は閉ループを成していなくてもよい。
【００４１】
冷却水ライン４０には、放熱器４１と、冷却水ポンプ４２と、インタークーラ４３と、冷却水弁４４とが設けられている。放熱器４１は、冷却水を冷却する。冷却水ポンプ４２は、放熱器４２で冷却された冷却水をインタークーラ４３に圧送する。インタークーラ４３は、供給された冷却水を給気と熱交換させ、それにより給気を冷却する。給気系から見れば、インタークーラ４３は、給気ライン６の共通部１１のうちコンプレッサ１０よりも下流側（戻り弁１４を備える場合は戻りライン１３との分岐点よりも気筒４側）に設けられており、給気は各気筒４へと供給されるよりも前にインタークーラ４３で冷却される。給気と熱交換した冷却水は、放熱器４１に送られ、そこで冷却される。
【００４２】
冷却水弁４４は、冷却水ライン４０のうち、放熱器４１からインタークーラ４３に向かう部分に開度可変に設けられている。冷却水弁４４の開度を調整することにより、インタークーラ４３を流れる冷却水の流量を調整することができ、それにより給気温を調整可能になっている。
【００４３】
冷却水弁４４の他、放熱器４１及び冷却水ポンプ４２を制御することによっても、給気温を調整することができる。放熱器４１に付属されたファン又はブロアを制御することにより、放熱器４１での冷却性能を調整し、それにより給気温を調整してもよい。また、冷却水ポンプ４２の容量等を変更することによりインタークーラ４３に送られる冷却水の流量を調整し、それにより給気温を調整してもよい。
【００４４】
このように、ガスエンジン１は、給気圧又は給気温を調整するための装置として、バイパス弁１９、戻り弁１４、可変ノズル９ａ、冷却水弁４４、放熱器４１及び冷却水ポンプ４２を備えている。以降では、前者３つをまとめて、給気圧を調整するための「給気圧調整部７１」と称し、後者３つをまとめて、給気温を調整するための「給気温調整部７２」と称し、更にこれら給気圧調整部７１と給気圧調整部７２とをまとめて、給気圧又は給気温を調整するための「給気調整部７０」と称する場合がある。なお、ガスエンジン１は、給気圧調整部７１として、バイパス弁１９、戻り弁１４及び可変ノズル９ａを全て備えている必要はなく、これらのうち少なくともいずれか一つを備えていればよい。
【００４５】
（燃焼安定化装置）
図２に示すように、このガスエンジン１には、燃焼安定化装置１００が適用されており、燃焼安定化装置１００は、ガス燃料の性状の変動に対応して燃焼状態を安定化させることを目的とした燃焼制御を実行する。燃焼安定化装置１００は、前述した主室燃料供給装置２６、副室燃料供給装置２７、点火装置２８及び給気調整部７０（バイパス弁１９、戻り弁１４、可変ノズル９ａ、冷却水弁４４、放熱器４１及び冷却水ポンプ４２）を備えている。更に、燃焼安定化装置１００は、給気圧センサ５１、給気温センサ５２、冷却水温センサ５３、メタン価センサ５４及び制御器６０を備えている。燃焼安定化装置１００は、メタン価センサ５４に替えて又はメタン価センサ５４に加えて、カロリーメータ５５、酸素濃度センサ５６及び／又はガスクロマトグラフィ（図示せず）を備えていてもよい。
【００４６】
制御器６０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及び入出力インターフェイスを備えている。制御器６０の入力側は、給気圧センサ５１、給気温センサ５２、冷却水温センサ５３、メタン価センサ５４と接続される。場合により、制御器６０は、メタン価センサ５４に替えて又はメタン価センサ５４と共に、カロリーメータ５５、酸素濃度センサ５６及び／又はガスクロマトグラフィ（図示せず）と接続される。制御器６０の出力側は、主室燃料供給装置２６、副室燃料供給装置２７、点火装置２８及び給気調整部７０と接続されている。
【００４７】
給気圧センサ５１及び給気温センサ５２は、給気ライン６のうち過給機８よりも下流側に設けられており、給気圧センサ５１は、過給機８から気筒４へと供給される給気の圧力を検出し、給気温センサ５２は、当該給気の温度を検出する。冷却水温センサ５３は、冷却水ライン４０に設けられ、図２では放熱器４１からインタークーラ４３に向かう部分に設けた場合を例示している。
【００４８】
ガス燃料の性状のなかでもメタン価は、混合気の着火性に影響を及ぼす因子である。このため、燃料供給源からのガス燃料の性状が変動し、それに伴ってメタン価が変動すると、燃焼状態が変化して異常燃焼が生ずるおそれがある。一方で、給気圧及び給気温も、燃焼速度に影響を及ぼす因子である。そこで制御器６０は、ガス燃料のメタン価に応じて給気圧及び給気温を補正する。それにより、性状の変動により生ずる着火性の変動を、給気圧及び／又は給気温の補正に伴う燃焼速度の変化でもって相殺又は緩和する。更に制御器６０は、ガス燃料のメタン価に応じて点火時期を補正し、それにより性状の変動により生ずる着火性の変動を、点火時期の補正に伴う燃焼圧の変化でもって緩和する。
【００４９】
上記給気圧センサ５１、給気温センサ５２及び冷却水温センサ５３は、給気圧及び給気温のフィードバック制御に利用される。給気圧、給気温又は冷却水温の実際の値を制御に用いない場合には、これらセンサ５１〜５３を適宜省略可能である。
【００５０】
メタン価センサ５４、カロリーメータ５５、酸素濃度センサ５６及びガスクロマトグラフィは、制御器６０がガス燃料のメタン価に応じた制御を実行するために用いられるセンサである。メタン価センサ５４は、メタン価そのものを検出する。カロリーメータ５５、酸素濃度センサ５６及びガスクロマトグラフィは、メタン価を算出若しくは推定するために有用な指標を検出する。燃焼安定化装置１００は、これら４種のセンサのうち少なくともいずれか一つを備え、これら４種のセンサの検出値のうちの少なくともいずれか一つを用いて給気圧及び／又は給気温の制御を実行するように構成されていればよい。
【００５１】
本実施形態では、燃焼安定化装置１００が、メタン価センサ５４からの検出値のみを用いて給気圧及び／又は給気温を制御する場合を例示する。カロリーメータ５５及び酸素濃度センサ５６を用いて制御を実行する場合は、後述の別実施形態で説明する。このため、本実施形態においては、図２に示す燃焼安定化装置１００から、カロリーメータ５５及び酸素濃度センサ５６が省略されていてもよい。
【００５２】
メタン価センサ５４は、燃料ライン２０に設けられ、燃料供給源（図示せず）から気筒４へと供給されるガス燃料のメタン価を検出する。このようにメタン価センサ５４はメタン価を直接的に検出するセンサであるため、メタン価センサ５４は単体でメタン価を検出するメタン価検出部を構成することができる。よって、本実施形態に係る制御器６０は、メタン価センサ５４の検出値を参照して給気圧及び／又は給気温を補正することができ、また、点火時期を補正することができる。
【００５３】
（制御内容）
図３は、第１実施形態に係る制御器６０の構成を示すブロック図である。図３に示すように、制御器６０は、ガス燃料の性状の変動に対応した燃焼制御を実行するための機能ブロックとして、給気制御部６２と、点火制御部６３とを有する。給気制御部６２は、給気圧を制御する給気圧制御部６４と、給気温を制御する給気温制御部６５とを有する。上記のとおり、本実施形態に係る燃焼安定化装置１００では、メタン価センサ５４が単体でメタン価を検出するメタン価検出部として機能する。
【００５４】
給気圧制御部６４は、メタン価センサ５４により検出されたメタン価に応じて、給気圧の補正量を設定し、設定された補正量だけ給気圧が補正されるように給気圧調整部７１を制御する。給気温制御部６５は、メタン価センサ５４により検出されたメタン価に応じて、給気温の補正量を設定し、設定された補正量だけ給気温が補正されるように給気温調整部７２を制御する。点火制御部６３は、メタン価センサ５４により検出されたメタン価に応じて、点火時期の補正量を設定し、設定された補正量だけ点火時期が補正されるように点火装置２８を制御する。
【００５５】
メタン価に応じた補正量の設定のため、制御器６０は、メタン価と給気圧補正量との対応関係を定めた給気圧マップ６７、メタン価と給気温補正量との対応関係を定めた給気温マップ６８、メタン価と点火時期補正量との対応関係を定めた点火時期マップ６９を予め記憶している。給気圧制御部６４は、給気圧マップ６７を参照してメタン価に応じた給気圧の補正量を設定する。給気温制御部６５は、給気温マップ６８を参照してメタン価に応じた給気温の補正量を設定する。点火制御部６３は、点火時期マップ６９を参照してメタン価に応じた点火時期の補正量を設定する。なお、給気圧制御部６４が、給気圧調整部７１を構成するいずれの装置を制御するのかについては、特段限定されない。給気温制御部６５と給気温調整部７２との関係についてもこれと同様である。
【００５６】
図４Ａに示すように、本実施形態に係る給気圧マップ６７によれば、メタン価が低下すると給気圧が上昇するよう補正され、メタン価が増加すると給気圧が低下するよう補正される。図４Ｂに示すように、本実施形態に係る給気温マップ６８によれば、メタン価が低下すると給気温が低下するよう補正され、メタン価が増加すると給気温が上昇するよう補正される。図４Ｃに示すように、本実施形態に係る点火時期マップ６９によれば、メタン価が低下すると点火時期が遅角されるよう補正され、メタン価が増加すると点火時期が進角されるよう補正される。なお、図４Ａは、給気圧がメタン価の変化に応じて線形に変化する場合を示しているが、これは単なる一例に過ぎず、上に凸の曲線を描くように変化してもよいし、下の凸の曲線を描くように変化してもよいし、階段状に変化してもよいし、これらが組み合わされていてもよい。図４Ｂ及び図４Ｃにおいても同様である。
【００５７】
図５は、第１実施形態に係る制御器６０が実行する燃焼制御の処理内容を示すフローチャートである。図６Ａ〜Ｃは、図５に示す燃焼安定化処理の処理内容をそれぞれ示すフローチャートである。図５に示す処理は、ガスエンジン１が稼働している間、ガス燃料の性状の地理的又は時間的な変動に対処するとの目的を達成するのに十分な時期ごとに行われればよい。なお、船舶に搭載されている場合には、寄港のたび図５に示すフローが実行されてもよい。また、定期的なメンテナンスを行った後など、ガスエンジン１の起動時に実行されてもよい。
【００５８】
図５に示すように、まず、メタン価検出部（本実施形態では、メタン価センサ５４）がメタン価を検出する（ステップＳ１００）。次に、検出されたメタン価に応じて給気温及び給気圧を補正し、更には点火時期を補正し、それによりガスエンジン１内の燃焼状態を安定化を図る処理（以下、「燃焼安定化処理」と称する）を実行する（ステップＳ２００（Ｓ２００Ａ〜Ｃ））。図６Ａは、給気圧制御部６４により実行される燃焼安定化処理（Ｓ２００Ａ）を示し、給気圧の補正により燃焼状態の安定化を図ろうとするものである。図６Ｂは、給気温制御部６５により実行される燃焼安定化処理（Ｓ２００Ｂ）を示し、給気温の補正により燃焼状態の安定化を図ろうとするものである。図６Ｃは、点火制御部６３により実行される燃焼安定化処理（Ｓ２００Ｃ）を示し、点火時期の補正により燃焼状態の更なる安定化を図ろうとするものである。
【００５９】
本実施形態では、図５に示す燃焼安定化処理（Ｓ２００）の内容として、給気制御部６２による燃焼安定化処理（Ｓ２００Ａ，Ｓ２００Ｂ）が優先的に選択され、点火制御部６３による燃焼安定化処理（Ｓ２００Ｃ）は、給気制御部６２による処理に付帯的に行われる。給気圧制御部６４による燃焼安定化処理（Ｓ２００Ａ）及び給気温制御部６５による燃焼安定化処理（Ｓ２００Ｂ）に関しては、これら２つの処理（Ｓ２００Ａ，Ｓ２００Ｂ）のうち少なくともいずれか一方が実行される。ガスエンジン１が稼働している間は（Ｓ３００：Ｎｏ）、ステップＳ１００からの処理が必要とされるタイミングで再び実行され、ガスエンジン１の運転が終了すると（Ｓ３００：Ｙｅｓ）、この一連の処理が終了する。
【００６０】
図６Ａに示すように、給気圧制御部６４による燃焼安定化処理（Ｓ２００Ａ）を実行するときには、まず、給気圧制御部６４（給気制御部６２）が、メタン価検出部（本実施形態では、メタン価センサ５４）により検出されたメタン価が変動したか否かを判定する（ステップＳ２１１）。メタン価の変動の有無の判定方法は、特に限定されない。例えば、今回実行されている処理中にステップＳ１００で取得されたメタン価（以下、説明の便宜上「（メタン価の）現在値」と称する）が、前回又はそれ以前に実行された処理中にステップＳ１００で取得されたメタン価（以下、説明の便宜上「（メタン価の）過去値」と称する）と比較される。そして、メタン価の現在値が、過去値を基準として許容値（以下、説明の便宜のため「第１の許容値」と称する）を超えて変動している場合（すなわち、メタン価の現在値と過去値との差分が第１の許容値を超えている場合）に、給気圧制御部６４（給気制御部６２）が、メタン価が変動したと判定してもよい。逆に、メタン価の現在値と過去値との差分が第１の許容値以下である場合に、給気圧制御部６４（給気制御部６２）は、メタン価が変動していないと判定してもよい。このような許容値を考慮せず、メタン価の現在値が過去値と異なっていれば、メタン価が変動したと判定してもよい。すなわち、第１の許容値はゼロであってもよい。
【００６１】
メタン価が変動していないと判定した場合には（Ｓ２１１：変化なし）、給気圧制御部６４は、メタン価に応じた給気圧の補正をしない（ステップＳ２１２）。このように給気圧の補正をしなければ、主室３３に供給される空気量が変動しないので、主室燃料供給装置２２の開弁期間を変更しない限りにおいて、主室３３内の混合気の空燃比及び燃料濃度は変動しない。なお、メタン価の変動がないと判定している状況下では、ガス燃料の組成に応じて定まる理論空気量の変動も小さく、そのため主室３３内の空気過剰率も殆ど変動しない。よって、主室３３内の燃焼状態が、今回処理の実行前後で変動しない。後述のとおり、仮にメタン価が変動したとしても燃焼状態を安定的に維持することができるので、メタン価の変動がない場合には、今回処理の実行前における安定的な燃焼状態を、今回処理の実行後にも維持することができる。
【００６２】
メタン価が低下変動したと判定した場合には（Ｓ２１１：低下）、給気圧制御部６４は、給気圧を増加補正するように給気圧調整部７１を制御する（ステップＳ２１３）。この補正に際して給気圧制御部６４は、前述のとおり、給気圧マップ６７を参照し、メタン価の現在値に応じて給気圧の補正量を算出し、当該補正量に基づいて給気圧調整部７１への動作指令値を求める。このとき、給気圧センサ５１の検出値を参照しながら動作指令値を制御してもよい。
【００６３】
メタン価が低下した場合には、ガス燃料の組成が、重質な炭化水素をより多く含むように変化し、それにより混合気が着火しやすくなるし燃焼速度が上昇する。このため、ノッキング限界が下がってノッキングが生じやすくなる。一方、給気圧が上昇すると、給気の充填効率が向上して気筒４に供給される空気量が増加する。このため、主室燃料供給装置２２から供給される燃料量が変わらない限りにおいて、気筒４の空燃比及び空気過剰率が上昇する。メタン価が変動すると理論空気量も若干変動するものの、気筒４の燃料濃度を下げることができれば、空気過剰率を増加させて混合気をリーン側にシフトすることが可能になる。混合気をリーン側にシフトさせると、ノッキング限界を上げることができるので、それによりメタン価の低下に伴うノッキング限界の下降を相殺又は緩和することができる。また、混合気がリーン側にシフトすると、燃焼が鈍化して燃焼速度を低下させることができる。これによりメタン価の低下に伴う燃焼速度の上昇を相殺又は緩和することができる。したがって、メタン価の低下に伴って生じるおそれがある異常燃焼を回避して、性状の変動前後で燃焼状態を安定状態のまま維持することが可能になる。
【００６４】
逆に、メタン価が上昇変動したと判定した場合には（Ｓ２１１：上昇）、メタン価低下時と同様、給気圧制御部６４は、給気圧マップ６７を参照してメタン価の現在値に応じて給気圧が低下補正されるように、給気圧調整部７１を制御する（ステップＳ２１４）。これにより、メタン価低下時と逆の作用が得られ、その結果、メタン価の上昇に伴って生じるおそれのある異常燃焼を回避して、性状の変動前後で燃焼状態を安定状態のまま維持することが可能になる。
【００６５】
給気圧制御部６４は、給気圧を補正するにあたり、給気圧調整部７１に含まれる装置（例えば、バイパス弁１９、戻り弁１４、可変ノズル９ａ）のうちいずれを制御してもよく、２以上の装置を同時に制御してもよい。給気圧を上昇させようとする場合、典型的には、バイパス弁１９の開度を小さくし、戻り弁１４の開度を小さくし、可変ノズル９ａを絞ればよい。給気圧を低下させようとする場合は、これと逆になる。ただし、２以上の装置を同時に制御する場合においては、これら２以上の装置が動作した結果として給気圧が目標どおりに上昇又は低下すればよいので、当該２以上の装置のうちのいずれかが、この典型的な動作態様とは逆に動作してもよい。
【００６６】
図６Ｂに示すように、給気温制御部６５による燃焼安定化処理（Ｓ２００Ｂ）を実行するときにも、まず、給気温制御部６５（給気制御部６２）が、メタン価検出部により検出されたメタン価が変動したか否かを判定する（ステップＳ２２１）。
【００６７】
メタン価が変動していないと判定した場合には（Ｓ２２１：変化なし）、給気温制御部６５は、メタン価に応じた給気温の補正をしない（ステップＳ２２２）。メタン価が低下変動したと判定した場合には（Ｓ２２１：低下）、給気温制御部６５は、給気温を低下補正するように給気温調整部７２を制御する（ステップＳ２２３）。この補正に際して給気温制御部６５は、前述のとおり、給気温マップ６８を参照し、メタン価の現在値に応じて給気温の補正量を算出する。そして、給気温制御部６５は、算出された補正量に基づいて、給気温調整部７２への動作指令値を求める。このとき、給気温センサ５２及び冷却水温センサ５３の検出値を参照して動作指令値を制御してもよい。
【００６８】
メタン価が低下した場合には、前述のとおり、混合気が着火しやすくなって燃焼速度が上昇する。一方、給気温が低下すると、混合気の着火性が弱まって燃焼速度を低下させることができる。また、給気温が低下すると、給気の充填効率が向上し、混合気の燃料濃度の低下が図られる。これにより、メタン価の低下に伴う燃焼速度の上昇を相殺又は緩和することができる。したがって、メタン価の低下に伴って生じるおそれがある異常燃焼を回避して、性状の変動前後で燃焼状態を安定状態のまま維持することが可能になる。
【００６９】
メタン価が上昇変動したと判定した場合には（Ｓ２２１：上昇）、メタン価低下時と同様に、給気温制御部６５は、給気温マップ６８を参照してメタン価の現在値に応じて給気温が上昇補正されるように、給気温調整部７２を制御する（ステップＳ２２４）。これにより、メタン価低下時と逆の作用が得られ、その結果、メタン価の上昇に伴って生じるおそれのある異常燃焼を回避して、性状の変動前後で燃焼状態を安定状態のまま維持することが可能になる。
【００７０】
給気温制御部６５は、給気温を補正するにあたり、給気温調整部７２に含まれる装置（例えば、冷却水弁４４、放熱器４１、冷却水ポンプ４２）のうちいずれを制御してもよく、２以上の装置を同時に制御してもよい。給気圧制御部６４による制御と同様、２以上の装置を同時に制御する場合には、これら２以上の装置の動作の結果として給気温を目標どおりに補正すればよいので、当該２以上の装置のうちのいずれかが、当該補正のための典型的な動作態様（例えば、給気温上昇補正のため冷却水弁４４の開度を絞る等）とは逆の動作をしてもよい。
【００７１】
前述のとおり、図６Ａに示す処理（Ｓ２００Ａ）と図６Ｂに示す処理（Ｓ２００Ｂ）とは、いずれか一方のみが実行されてもよいし、両方とも実行されてもよい。必要に応じていずれか一方のみを実行するか両方とも実行するかを選択してもよい。このとき、例えば、メタン価の現在値の過去値に対する変動量（差分）が所定値を超えた場合に、両方実行するようにしてもよい。
【００７２】
このように給気制御部６２による燃焼安定化処理（特に、給気圧制御部６３による燃焼安定化処理）は、気筒４に供給される空気量、ひいては混合気の燃料濃度や空燃比や空気過剰率を変えるものであるが、副室３４内の空気過剰率をストイキオメトリ（理論空燃比）付近に保ち、主室３３内の空気過剰率をリーンに保つことが好ましい。このようにすれば、副室３４内では混合気の着火性の向上に重点をおくことができ、主室３３内では効率の向上に重点をおくことができる。このため、副室式ガスエンジン１において、性状変動に対応して給気圧や給気温を補正するという燃焼制御を実行するにあたって、燃焼状態を安定化させることと効率を高めることとを両立することができる。
【００７３】
図６Ｃに示すように、点火制御部６３による燃焼安定化処理（Ｓ２００Ｃ）を実行するときにも、まず、点火制御部６３が、メタン価検出部により検出されたメタン価が変動したか否かを判定する（ステップＳ２３１）。本実施形態では、点火制御部６３による処理（Ｓ２００Ｃ）が、給気制御部６２による処理（Ｓ２００Ａ及び／又はＳ２００Ｂ）に付帯的に実行される。このため、ステップＳ２３１では、ステップＳ２１１に関連して前述した第１許容値よりも大きい第２の許容値を用いて性状変動の有無を判定してもよい。つまり、給気制御部６２では性状が変動したと判定される一方で、点火制御部６３では性状が変動したとは判定されない状況があってもよい。別の言い方をすれば、点火制御部６３に設定されるメタン価変動不感帯が、給気制御部６２において設定されるメタン価変動不感帯よりも大きくてもよい。
【００７４】
メタン価が変動していないと判定した場合には（Ｓ２３１：変化なし）、点火制御部６３はメタン価に応じた点火時期の補正をしない（ステップＳ２３２）。メタン価が低下変動したと判定した場合には（Ｓ２３１：低下）、点火制御部６３は、点火時期を遅角補正するように点火装置２８を制御する（ステップＳ２３３）。この補正に際して点火制御部６３は、点火時期マップ６９を参照してメタン価に応じて点火時期の遅角補正量を算出し、補正後の点火時期で混合気が点火されるように点火装置２８に動作指令を与える。この動作指令を与えるに際し、不図示のクランク角センサの検出値を参照してもよい。
【００７５】
メタン価が低下した場合には、前述のとおり、混合気が着火しやすくなって燃焼速度が上昇する。一方、点火時期が遅角されると燃焼圧が低下し、燃焼圧をノッキング限界から安全側に遠ざけることができる。これにより、メタン価の低下に伴ってノッキング等の異常燃焼が生じやすくなっても、これを回避することができる。よって、給気圧及び／又は給気温の補正制御と、当該点火時期の補正制御とを組み合わせることにより、ガスエンジン１の異常燃焼をより確実に回避することができるようになる。
【００７６】
逆に、メタン価が上昇変動したと判定した場合には（Ｓ２３１：上昇）、点火制御部６３は、メタン価低下時と同様に点火時期マップ６９を参照し、メタン価の現在値に応じて点火時期が進角補正されるように点火装置２８を制御する（ステップＳ２３４）。これにより、メタン価低下時と逆の作用が得られ、その結果、ガスエンジン１の効率を極力高くすることができるようになる。
【００７７】
メタン価の検出は、起動時に行うことが好ましい。これにより、給気圧及び／又は給気温の変動によって燃焼状態を安定させるための時間を確保することができる。応答性の高い点火時期に即座に頼らなくても、メタン価の変動に応じて燃焼状態を良好に安定させることができる。
【００７８】
［第２実施形態］
図７は、本発明の第２実施形態に係る燃焼安定化装置２００の制御器２６０の構成を示すブロック図である。第２実施形態は、センサ及び制御器が協動してメタン価を算出する点で、第１実施形態と相違する。以下、上記実施形態との相違点を中心して、本実施形態に係る燃焼安定化装置２００について説明する。
【００７９】
図７に示すように、本実施形態に係る燃焼安定化装置２００は、前述したカロリーメータ５５を備えている。カロリーメータ５５は、燃料ライン２０に設けられ（図２参照）、燃料供給源（図示せず）から気筒４へと供給されるガス燃料の単位体積当たり発熱量を検出する。なお、燃焼安定化装置２００は、カロリーメータ５５に替えて又は加えて、酸素濃度センサ５６（図２参照）又はガスクロマトグラフィ（図示せず）を備えていてもよい。酸素濃度センサ５６は、排気ライン７に設けられ（図２参照）、燃焼排ガス中の酸素濃度（以下、説明の便宜上「残存酸素濃度」と称する）を検出する。ガスクロマトグラフィは、燃料ライン２０に設けられ、燃料供給源（図示せず）から気筒４へと供給されるガス燃料の組成を検出する。
【００８０】
一般的な傾向として、ガス燃料のメタン価が大きいときには軽質の炭化水素の濃度が高くなり、ガス燃料のメタン価が小さいときには重質の炭化水素の濃度が高くなる。軽質の炭化水素の濃度が高くなると、ガス燃料の単位体積当たり発熱量が小さくなるし、残存酸素濃度は小さくなる。重質の炭化水素の濃度が高くなると、これとは逆になる。このように、ガス燃料の単位体積当たり発熱量及び残存酸素濃度は、メタン価と相関する。よって、メタン価の把握に用いる検出値として、ガス燃料の単位体積当たり発熱量や残存酸素濃度を適用することができる。なお、ガスクロマトグラフィは、ガス燃料の組成を検出するので、その検出値に基づいてメタン価を精度よく算出することができる。
【００８１】
ガス燃料の単位体積当たり発熱量、残存酸素濃度及びガス燃料の組成は、メタン価そのものと異なる指標である。このため、カロリーメータ５５、酸素濃度センサ５６又はガスクロマトグラフィを燃焼安定化装置２００に適用する場合、制御器２６０が、これらセンサ等の検出値に応じてメタン価に相当する値（以下、単にメタン価という）を算出し、算出された値に応じて給気圧及び／又は給気温を制御する。このように、カロリーメータ５５、酸素濃度センサ５６及び／又はガスクロマトグラフィを適用する場合、適用されたセンサと、制御器２６０内でメタン価を算出する機能を有した部分とが、メタン価を検出するためのメタン価検出部を構成する。
【００８２】
本実施形態に係る制御器２６０は、メタン価を算出するメタン価算出部２６１を有している。メタン価算出部２６１は、制御器２６０に予め記憶されたメタン価マップ２６６を参照し、燃焼安定化装置２００に適用されたセンサ（カロリーメータ５５、酸素濃度センサ５６及び／又はガスクロマトグラフィ）の検出値に応じて、メタン価を算出する。メタン価マップ２６６は、メタン価検出部を構成するセンサの検出値（例えば、ガス燃料の単位体積当たり発熱量や残存酸素濃度やガス燃料の組成）と、メタン価との対応関係又は相関を定めている。
【００８３】
図８は、図７に示すメタン価マップ２６６を二次元直交座標系内で模式的に示すグラフである。図８に示すように、メタン価マップ２６６によれば、ガス燃料の単位体積当たり発熱量が高くなればなるほど、メタン価として小さい値が算出されるようになっている。また、メタン価マップ２６６によれば、残存酸素濃度が高くなればなるほど、メタン価として小さい値が算出されるようになっている。このメタン価マップ２６６によって定められている対応関係又は相関は、前述した一般的傾向に符合している。
【００８４】
本実施形態に係る燃焼安定化装置２００が実行する制御の処理内容に関しては、上記実施形態でのメタン価の検出処理（図４中のＳ１００参照）において、メタン価算出部２６１がメタン価を算出することとなる。その後の処理の流れは、上記実施形態と同一である。すなわち、給気圧制御部６４は、メタン価算出部２６１により算出されたメタン価に応じて給気圧を補正する。給気温制御部６５は、メタン価算出部２６１により算出されたメタン価に応じて給気温を補正する。点火制御部６３は、メタン価算出部２６１により算出されたメタン価に応じて点火時期を補正する。
【００８５】
このように、メタン価を直接的に検出するセンサを備えていなくても、メタン価と相関を有する指標の値を検出するセンサを備えていれば、制御器２６０の内部処理との協働によりメタン価を精度よく検出することができる。このようにして検出されたメタン価に応じて給気圧、給気温及び点火時期を補正した場合であっても、ガス燃料の性状変動に対応して燃焼状態の安定化を図ることができる。
【００８６】
これまで本発明の実施形態について説明したが、上記構成は本発明の範囲内で適宜変更可能である。上記実施形態は、燃焼室構造様式及び燃焼方式にいわゆる副室火花点火式を採用したガスエンジンに適用されたが、他のガスエンジンにも本発明は好適に適用可能である。例えば、副室を持たない燃焼室を備えた単室式ガスエンジンに適用してもよい。点火装置としてパイロット油を噴射するバルブを備えたマイクロパイロット着火式ガスエンジンに適用してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
本発明は、ガス燃料の性状の変動に対応して燃焼状態を安定化することができるとの顕著な作用効果を奏し、気筒に供給される給気の圧力又は温度を調整可能に構成されたガスエンジンに適用すると有益である。
【符号の説明】
【００８８】
１００，２００  燃焼安定化装置
１  ガスエンジン
４  気筒
６  給気ライン
７  排気ライン
８  過給機
９ａ  可変ノズル
１３  戻りライン
１４  戻り弁
１８  バイパスライン
１９  バイパス弁
２８  点火装置
３２  燃焼室
３３  主室
３４  副室
３６  連通穴
４０  冷却水ライン
４１  放熱器
４２  冷却水ポンプ
４３  インタークーラ
５４  メタン価センサ
５５  カロリーメータ
５６  酸素濃度センサ
６０，２６０  制御器
６２  給気制御部
６３  点火制御部
６４  給気圧制御部
６５  給気温制御部
２６１  メタン価算出部
７０  給気調整部
７１  給気圧調整部
７２  給気温調整部
【図１】
2014054081.tif 000003
【図２】
2014054081.tif 000004
【図３】
2014054081.tif 000005
【図４Ａ】
2014054081.tif 000006
【図４Ｂ】
2014054081.tif 000007
【図４Ｃ】
2014054081.tif 000008
【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７】
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【図８】
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【手続補正書】
【提出日】平成27年12月25日(2015.12.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスエンジンに適用される燃焼安定化装置であって、
ガス燃料のメタン価を検出するメタン価検出部と、
給気の圧力又は温度を調整するための給気調整部と、
前記給気調整部を制御する給気制御部と、
混合気を点火する点火装置と、
前記点火装置を制御する点火制御部と、を備え、
前記給気制御部は、前記メタン価検出部により検出されたガス燃料のメタン価に応じて給気圧又は給気温の補正量を設定し、給気圧又は給気温を設定された補正量だけ補正するように前記給気調整部を制御し、
前記給気制御部は、前記メタン価検出部により検出されたメタン価の現在値と前回値との差が第１の許容値を超えると、前記給気圧又は給気温を補正し、
前記点火制御部は、前記メタン価検出部により検出されたメタン価の現在値と前回値との差が第１の許容値よりも大きい第２の許容値を超えると、点火時期を補正する、ガスエンジン用の燃焼安定化装置。
【請求項２】
ガス燃料のメタン価が低下すると、前記給気制御部は、給気圧を上昇させるように又は給気温を低下させるように補正し、
ガス燃料のメタン価が増加すると、前記給気制御部は、給気圧を低下させるように又は給気温を上昇させるように補正する、請求項１に記載のガスエンジン用の燃焼安定化装置。
【請求項３】
ガス燃料のメタン価が低下すると、前記点火制御部が点火時期を遅角するように補正し、ガス燃料のメタン価が増加すると、前記点火制御部が点火時期を進角するように補正する、請求項１又は２に記載のガスエンジン用の燃焼安定化装置。
【請求項４】
前記ガスエンジンが、主室及び該主室に連通する副室を有する燃焼室を備え、前記副室内の空気過剰率がストイキオメトリ付近に保たれ、前記主室内の空気過剰率がリーンに保たれる、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のガスエンジン用の燃焼安定化装置。
【請求項５】
前記メタン価検出部が、気筒に供給されるガス燃料のメタン価を検出するメタン価センサで構成される、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のガスエンジン用の燃焼安定化装置。
【請求項６】
前記メタン価検出部が、気筒に供給されるガス燃料の発熱量を検出するカロリーメータ、気筒に供給されるガス燃料の組成を検出するガスクロマトグラフィ及び気筒から排出される燃焼排ガスの酸素濃度を検出する酸素濃度センサのうち少なくともいずれか一つと、当該いずれか一つの検出値に基づいてメタン価を算出するメタン価算出部とで構成される、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のガスエンジン用の燃焼安定化装置。
【手続補正書】
【提出日】平成28年5月16日(2016.5.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
すなわち、本発明に係る燃焼安定化装置は、ガスエンジンに適用される燃焼安定化装置であって、ガス燃料のメタン価を検出するメタン価検出部と、給気の圧力又は温度を調整するための給気調整部と、前記給気調整部を制御する給気制御部と、混合気を点火する点火装置と、前記点火装置を制御する点火制御部と、を備え、前記給気制御部は、前記メタン価検出部により検出されたガス燃料のメタン価に応じて給気圧又は給気温の補正量を設定し、給気圧又は給気温を設定された補正量だけ補正するように前記給気調整部を制御し、前記給気制御部は、前記メタン価検出部により検出されたメタン価の現在値と前回値との差が第１の許容値を超えると、前記給気圧又は給気温を補正し、前記点火制御部は、前記メタン価検出部により検出されたメタン価の現在値と前回値との差が第１の許容値よりも大きい第２の許容値を超えると、点火時期を補正する。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
前記構成によれば、ガス燃料のメタン価が変動すると混合気の着火性に影響を及ぼすところ、このメタン価が変動して着火性が変動するおそれがあっても、給気圧又は給気温の補正により、この変動を相殺又は緩和することが可能になる。よって、メタン価の変動前後で燃焼状態を維持することができる。また、メタン価の現在値が、過去値に対して、第１の許容値を超え且つ第２の許容値以下の範囲内で変動したときには、給気制御部による給気圧又は給気温の補正が行われる。このように変動幅が小さいときには給気の調整により、燃焼状態を安定化させることができる。メタン価の現在値が、過去値に対して第２の許容値を超えて変動したときには、給気制御部による給気圧又は給気温の補正と、点火制御部による点火時期の補正とが行われる。このように変動幅が大きいときには、給気だけでなく点火時期も調整されるので、性状変動により燃焼状態が大きく変動するおそれがあっても、燃焼状態の変動を抑制することができる。なお、第１の許容値はゼロを含む概念である。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
ガス燃料のメタン価が低下すると、前記点火制御部が点火時期を遅角するように補正し、ガス燃料のメタン価が増加すると、前記点火制御部が点火時期を進角するように補正してもよい。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】削除
【補正の内容】
【国際調査報告】
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