(57)【要約】【課題】負荷変動時の目標回転速度の変化に対し回転速度の応答遅れやオーバーシュートを抑制する良好なアクチュエータ制御を行ってエンジンの能力を引き出すことができる単気筒ガスエンジンを提供する。【解決手段】エンジン本体２と、エンジン本体２に供給する燃料ガスおよび空気の量を調節する制御用アクチュエータ３５、５３と、負荷変動に応じて制御用アクチュエータ３５、５３を制御する制御装置９とを備える単気筒ガスエンジン１であって、制御装置９は、制御用アクチュエータ３５、５３を制御する制御周期ＴＣを前記エンジン本体２の回転速度（平均回転速度Ｎ）に対応して可変とし、前記エンジン本体２の動作サイクル（サイクル周期Ｔ）ごとに１〜３回の頻度で制御用アクチュエータ３５、５３を制御する。【選択図】図４
2011132838.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジン本体と、前記エンジン本体に供給する燃料ガスおよび空気の量を調節する制御用アクチュエータと、負荷変動に応じて前記制御用アクチュエータを制御する制御装置とを備える単気筒ガスエンジンであって、
前記制御装置は、前記制御用アクチュエータを制御する制御周期を前記エンジン本体の回転速度に対応して可変とし、前記エンジン本体の動作サイクルを検出するサイクル検出手段を備え、前記動作サイクルごとに１〜３回の頻度で前記制御用アクチュエータを制御することを特徴とする単気筒ガスエンジン。
【請求項２】
請求項１において、前記動作サイクルの工程を判別する工程判別手段を備え、前記制御装置は、前記工程判別手段による判別結果に基づいて前記制御用アクチュエータの制御タイミングを制御することを特徴とする単気筒ガスエンジン。
【請求項３】
請求項２において、前記工程判別手段により前記動作サイクルの工程が判別できた場合、前記制御装置は、前記工程判別手段が判別した吸気工程よりも所定時間前に前記制御用アクチュエータを制御することを特徴とする単気筒ガスエンジン。
【請求項４】
請求項２または３において、前記工程判別手段は、クランク軸に固定され外周部分に複数の歯をもつ回転検出プーリーと、前記回転検出プーリーの前記複数の歯からパルス信号を生成するパルス発生器と、前記パルス信号からパルス整形波形を生成するパルス波形整形回路と、前記パルス整形波形から圧縮工程と排気工程の識別を行う識別部とを有することを特徴とする単気筒ガスエンジン。
【請求項５】
請求項１において、前記制御装置は、前記動作サイクルごとに１．３〜２．５回の頻度で前記制御用アクチュエータを制御することを特徴とする単気筒ガスエンジン。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項において、コージェネレーション装置に用いられることを特徴とする単気筒ガスエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単気筒ガスエンジンに関し、より詳細には負荷変動への追従制御の高精度化に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、省エネルギや二酸化炭素排出量削減を志向した分散型電源装置の開発が進められ、オフィスや集合住宅など電力消費地での導入が増加しつつある。分散型電源装置の一種に、燃料ガスを用いるガスエンジンを駆動源として電気エネルギおよび熱エネルギを生成するガスエンジン式コージェネレーション装置がある。この種の装置では、小出力用として単気筒ガスエンジンを用いることがある。そして、電気負荷の変動に追従するように、ガスエンジンに供給する燃料ガスおよび空気の量を制御して燃焼制御を行うことが一般的になっており、一例が特許文献１に開示されている。
【０００３】
特許文献１のガスエンジンの燃焼制御方法は、ガス燃料と空気とを混合した混合気を給気通路から燃焼室に導入して着火燃焼するように構成されたガスエンジンにおいて、所要のエンジン運転条件となるように混合気の流量を制御するとともに、給気通路における給気圧力をも制御するようにしている。これにより、給気通路における混合気の圧力損失を低減するとともに、発熱量の変動するガス燃料を用いる場合に空気過剰率を適正に保持する空燃比制御を可能として、安定したエンジン出力性能を発揮し得る、とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２４０５８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、特許文献１の実施例の説明によれば、混合気の流量および給気通路における給気圧力の制御は、コントローラが自動的に行う。コントローラには、通常コンピュータを内蔵してソフトウェアで動作する電子制御装置が用いられる。特許文献１に限らず、ガスエンジンの制御装置は、他の制御装置や各種センサから負荷変動やエンジン回転速度などの情報を取り込み、内部演算を実施し、燃料弁や混合気用スロットル弁などの制御用アクチュエータを制御するのが一般的である。通常、この制御のサイクルは、エンジンの動作サイクルが吸気、圧縮、燃焼、排気のいずれの工程であるかに関係なく、制御装置内部に設定された一定の制御周期を基にして独立に行われる。
【０００６】
このように、制御用アクチュエータの制御周期とエンジンの動作サイクルとが相互に独立していると、両者が整合せず良好な制御を行えないおそれがある。例えば、制御用アクチュエータを制御して混合気の条件を変更しても直ちに回転速度には反映されず、混合気が吸気され着火した時点以降に反映されるためタイムラグが生じる。また、回転速度が小さいときには動作サイクル中に複数回のアクチュエータ制御が行われるが、回転速度が増加すると動作サイクル中のアクチュエータ制御の回数が減少してタイムラグが顕著となるケースや、動作サイクル中にアクチュエータ制御が行われなくなるケースも生じ得る。
【０００７】
良好な制御を行えないと、負荷変動で目標回転速度が変化した場合に、回転速度の応答が遅れたり、目標回転速度をオーバーシュートして増減振動したりするおそれがある。特に、単気筒４サイクルガスエンジンでは、着火タイミングがクランク軸の２回転に１度しかないため、２気筒以上のエンジンと比較してタイムラグが大きくなり、比較的長時間に
わたり顕著に影響が出がちである。さらに、コージェネレーション装置に用いられるガスエンジンにあっては、電気負荷の変動に対応して空燃比を良好に保持することが難しくなり、負荷追従発電が不安定になるおそれがある。
【０００８】
本発明は上記背景に鑑みてなされたものであり、負荷変動時の目標回転速度の変化に対し回転速度の応答遅れやオーバーシュートを抑制できる良好なアクチュエータ制御を行ってエンジンの能力を引き出すとともに、コージェネレーション装置用にあっては空燃比を常に良好に保持してエネルギ効率に優れた負荷追従発電を可能とする単気筒ガスエンジンを提供することを解決すべき課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決する請求項１に係る単気筒ガスエンジンの発明は、エンジン本体と、前記エンジン本体に供給する燃料ガスおよび空気の量を調節する制御用アクチュエータと、負荷変動に応じて前記制御用アクチュエータを制御する制御装置とを備える単気筒ガスエンジンであって、前記制御装置は、前記制御用アクチュエータを制御する制御周期を前記エンジン本体の回転速度に対応して可変とし、前記エンジン本体の動作サイクルを検出するサイクル検出手段を備え、前記動作サイクルごとに１〜３回の頻度で前記制御用アクチュエータを制御することを特徴とする。
【００１０】
請求項２に係る発明は、請求項１において、前記動作サイクルの工程を判別する工程判別手段を備え、前記制御装置は、前記工程判別手段による判別結果に基づいて前記制御用アクチュエータの制御タイミングを制御することを特徴とする。
【００１１】
請求項３に係る発明は、請求項２において、前記工程判別手段により前記動作サイクルの工程が判別できた場合、前記制御装置は、前記工程判別手段が判別した吸気工程よりも所定時間前に前記制御用アクチュエータを制御することを特徴とする。
【００１２】
請求項４に係る発明は、請求項２または３において、前記工程判別手段は、クランク軸に固定され外周部分に複数の歯をもつ回転検出プーリーと、前記回転検出プーリーの前記複数の歯からパルス信号を生成するパルス発生器と、前記パルス信号からパルス整形波形を生成するパルス波形整形回路と、前記パルス整形波形から圧縮工程と排気工程の識別を行う識別部とを有することを特徴とする。
【００１３】
請求項５に係る発明は、請求項１において、前記制御装置は、前記動作サイクルごとに１．３〜２．５回の頻度で前記制御用アクチュエータを制御することを特徴とする。
【００１４】
請求項６に係る発明は、請求項１〜５のいずれか一項において、単気筒ガスエンジンがコージェネレーション装置に用いられることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１に係る単気筒ガスエンジンの発明では、制御装置は制御周期を回転速度に対応して可変とし、エンジン本体の動作サイクルごとに１〜３回の頻度で前記制御用アクチュエータを制御する。このため、ガス燃料と空気とを混合した混合気の供給量や空燃比などの条件を毎回の動作サイクルで制御し、至近の着火タイミングに反映できる。すなわち、１動作サイクルの制御用アクチュエータ制御回数が１回以上あれば、エンジンの回転速度に影響を与えることのできる点火タイミングの前に確実にアクチュエータ制御を１回以上行うことができるため、前回の点火タイミングで影響を受けた現在のエンジン回転速度に対するアクチュエータ制御結果を次回の点火タイミングでエンジン回転速度に反映することが可能である。同制御回数が３回以下であれば、前回の点火タイミングで影響を受けた現在のエンジン回転速度に対して過剰にアクチュエータ制御を行うことが比較的抑制でき
るため、次回の点火タイミングでのエンジン回転速度が過剰に変動することを抑制できる。一方、同制御回数が１回より少ないと、前回の点火タイミングで影響を受けたエンジン回転速度に対してのアクチュエータ制御が１回もできない場合が存在するため、前回のアクチュエータ制御結果によるエンジン回転速度に対して応答が遅れてしまい回転速度の変動（ハンチング）が収束しなくなる場合がある。同制御回数が３回より多いと、１度の点火タイミングに対して何度もアクチュエータ制御を行ってしまうため、次回の点火タイミングでエンジン回転速度が過剰に影響を受けてしまいオーバーシュートが大きくなってしまう場合がある。したがって、制御のタイムラグを動作サイクルのサイクル周期未満に限定でき、負荷変動時の目標回転速度の変化に対し回転速度の応答遅れやオーバーシュートなどを抑制してエンジンの能力を引き出すことができる。
【００１６】
請求項２に係る発明では、動作サイクルの工程を判別する工程判別手段を備え、工程判別手段による判別結果に基づいて制御用アクチュエータの制御タイミングを制御する。したがって、毎回の動作サイクルで制御用アクチュエータを確実に制御できる。
【００１７】
請求項３に係る発明では、制御装置は、工程判別手段が判別した吸気工程よりも所定時間前に制御用アクチュエータを制御する。これにより、混合気の供給量や空燃比などの条件を制御した直後に混合気が吸気されて着火されるため、制御のタイムラグを抑制することができる。
【００１８】
請求項４に係る発明では、工程判別手段は、回転検出プーリー、パルス発生器、パルス波形整形回路、および識別部を有する。これにより、工程判別手段は、吸気、圧縮、燃焼、排気の各工程を確実に判別でき、制御装置は最適な制御タイミングを得て制御のタイムラグを抑制することができる。
【００１９】
請求項５に係る発明では、動作サイクルごとに１．３〜２．５回の頻度で制御用アクチュエータを制御する。したがって、各工程を判別せずとも毎回の動作サイクルで制御用アクチュエータを制御でき、制御のタイムラグを動作サイクルのサイクル周期未満に限定でき、回転速度の応答遅れやオーバーシュートをより抑制することができる。
【００２０】
請求項６に係る発明では、単気筒ガスエンジンがコージェネレーション装置に用いられる。したがって、回転速度の応答遅れやオーバーシュートなどを抑制して発電電力を安定させることができる。また、空燃比を常に良好に保持してエネルギー効率に優れた負荷追従発電が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施形態の単気筒ガスエンジンを用いたコージェネレーション装置の全体構成を説明する図である。
【図２】図１の実施形態における工程判別器を説明する図であり、（１）は図１の白抜き矢印Ａ方向からみた構造図、（２）はパルス発生器から制御装置に出力されるパルス波形の図、（３）はパルス波形を整形したパルス整形波形の図である。
【図３】図１の実施形態において、制御装置が制御用アクチュエータを制御する動作を説明する動作フローの図である。
【図４】動作サイクル中の工程が判別できないときに、サイクル周期に基づいて制御周期を設定する方法を説明する図である。
【図５】実施形態の単気筒ガスエンジンの効果を確認した検証実験結果の図である。
【図６】実施形態の単気筒ガスエンジンの効果を確認した検証実験結果の図であり、図５とは制御周期が異なる。
【図７】制御周期を過小に設定した比較実験結果の図である。
【図８】制御周期を過大に設定した比較実験結果の図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明を実施するための実施形態を、図１〜図８を参考にして説明する。図１は、本発明の実施形態の単気筒ガスエンジン１を用いたコージェネレーション装置の全体構成を説明する図である。図示される構成で、エンジン１のクランク軸２３が発電機１０１に連結されて電気エネルギが生成され、エンジン１の冷却水が排熱回収装置１０２に循環されて熱エネルギが有効利用されるようになっている。単気筒ガスエンジン１は、エンジン本体２、燃料ガス供給部３、空気供給部４、混合気供給部５、排気部６、冷却水循環部７、工程判別器８、制御装置９などで構成されている。
【００２３】
エンジン本体２は、単気筒のシリンダ２１及びピストン２２と、ピストン２２の往復運動を回転運動に変換して出力するクランク軸２３とを備えている。シリンダ２１の上部には吸気ポート２４及び排気ポート２５と点火プラグ２６が設けられ、シリンダ２１を取り巻くようにウォータジャケット２７が形成されている。
【００２４】
燃料ガス供給部３は、図略のガス供給源から燃料ガスをミキサー５１に供給する燃料ガス通路に相当する部位である。燃料ガス供給部３には、ガス供給源側から順番に２個の電磁弁３１、３２、ガバナ３３、および燃料弁３４が設けられている。燃料弁３４は、その開度ＡＦを変化させて燃料ガスの供給量を調節する燃料予混合アクチュエータ３５を有している。空気供給部４は、空気をミキサー５１に供給する空気通路に相当する部位である。空気供給部４の途中にはエアクリーナ４１が設けられている。混合気供給部５は、混合気をエンジン本体２の吸気ポート２４に供給する部位である。混合気供給部５には、燃料ガスと空気とを混合して混合気を作成するミキサー５１、および混合気の供給量を調節するスロットル弁５２が設けられている。スロットル弁５２は、その開度ＡＳを変化させて混合気の供給量を調節するスロットルアクチュエータ５３を有している。
【００２５】
上述した燃料弁３４の燃料予混合アクチュエータ３５、およびスロットル弁５２のスロットルアクチュエータ５３は制御用アクチュエータであり、具体的にはステッピングモータを使用して制御装置９から制御する。  
【００２６】
排気部６は、エンジン本体２の排気ポート２５から外部へ排気ガスを放出する排気ガス通路に相当する部位である。排気部６には、排気ポート２５側から順番に排気熱交換器６１、および排気サイレンサー６２が設けられている。冷却水循環部７は、冷却水を循環してエンジン本体２を冷却する冷却水通路に相当する部位である。冷却水は、エンジン本体２のウォータジャケット２７から排気熱交換器６１、排熱回収装置１０２を経てウォータジャケット２７に循環するようになっている。これにより、冷却水は、エンジン本体２から熱エネルギを受け取るとともに、排気熱交換器６１で排気ガスからも熱エネルギを受け取り、排熱回収装置１０２で熱エネルギを放出する。
【００２７】
工程判別器８は、工程判別手段の一部に相当する部位であり、クランク軸２３に固定された回転検出プーリー８１、およびパルス信号を生成するパルス発生器８５を有している。図２は、工程判別器８を説明する図であり、（１）は図１の白抜き矢印Ａ方向からみた構造図、（２）はパルス発生器８５から制御装置９に出力されるパルス波形の図、（３）はパルス波形を整形したパルス整形波形の図である。図２（１）に示されるように、回転検出プーリー８１は、クランク軸２３に固定されて共に回転する鉄製の略円板状の部材であり、外周には３つの短歯８２および１つの長歯８３をもっている。各歯８２、８３は略矩形状で、その前縁８２ａ、８３ａは９０°ピッチの等間隔とされ、長歯８３の円周方向の長さが短歯８２より長く形成されている。
【００２８】
一方、パルス発生器８５は、回転検出プーリー８１の各歯８２、８３に臨むように、エ
ンジン本体２の外面に固設されている。パルス発生器８５には、磁性体の接近および離隔による磁界変化を検出してパルス波形を出力する磁界検出センサを用いる。パルス発生器８５は、クランク軸２３と共に回転検出プーリー８１が回転して各歯８２、８３の前縁８２ａ、８３ａが近づくと、図２（２）に示されるように滑らかに変化する山状パルスの正電圧８６を発生する。また、パルス発生器８５は、各歯８２、８３の後縁８２ｂ、８３ｂが近づくと、山状パルスの負電圧８７を発生する。正電圧８６の開始と負電圧８７の終了の間で規定されるパルス時間に関しては、長歯８３のパルス時間Ｔ８３が短歯８２のパルス時間Ｔ８２より長くなり、両者を区別できる。なお、長歯８３は、動作サイクル中の圧縮工程および排気工程で検出されるように配置されている。
【００２９】
制御装置９は、エンジン１の運転を制御する部位である。制御装置９は、燃料予混合アクチュエータ３５およびスロットルアクチュエータ５３を制御して、燃料弁３４の開度ＡＦおよびスロットル弁５２の開度ＡＳを調整し、かつ点火プラグ２６の点火タイミングを制御する。さらに、制御装置９は、工程判別手段のうちのパルス波形整形回路および識別部の機能を兼ね、工程判別器８のパルス波形の処理を行う。
【００３０】
制御装置９の工程判別手段としての機能を詳述すると、まず図２（２）のパルス波形中の各パルス時間Ｔ８２、Ｔ８３を、単極矩形状のパルス整形波形Ｔ８２Ａ、Ｔ８３Ａに整形して、図２（３）のパルス整形波形を生成する。
【００３１】
周知のように、４ストロークエンジンでは、１動作サイクルの間にクランク軸２３が２回転する。このため、１動作サイクルの間に６個の短いパルス整形波形Ｔ８２Ａと２個の長いパルス整形波形Ｔ８３Ａが発生し、合計８個のパルス整形波形うちの連続する２個ずつのパルス整形波形の組み合わせがそれぞれ圧縮、燃焼、排気、吸気のいずれかの工程に割り当てられている。長いパルス整形波形Ｔ８３Ａは圧縮工程および排気工程に割り当てられている。具体的には、図２（３）に示すように、一方の長いパルス整形波形Ｔ８３Ａとその前の短いパルス整形波形Ｔ８２Ａが圧縮工程に割り当てられている。他方の長いパルス整形波形Ｔ８３Ａとその前の短いパルス整形波形Ｔ８２Ａが排気工程に割り当てられている。圧縮工程の後の２個の短いパルス整形波形Ｔ８２Ａが燃焼工程に割り当てられている。排気工程の後の２個の短いパルス整形波形Ｔ８２Ａが吸気工程に割り当てられている。
【００３２】
圧縮工程ではシリンダ２１内の混合気をピストン２２で圧縮するため、クランク軸２３の回転速度は遅くなる。一方、排気工程では排気ポート２５が開いているため排気ガスの圧縮はなく、クランク軸２３の回転速度は圧縮工程と比べて速くなる。そこで、制御装置９は、長いパルス整形波形Ｔ８３Ａの立ち上がりとその次の短いパルス整形波形Ｔ８２Ａの立ち上がりとの時間差を計測し、長い時間差ＴＬを含む工程を圧縮工程と判別し、短い時間差ＴＳを含む工程を排気工程と判別する。したがって、時間差ＴＬ、ＴＳを比較することにより、圧縮工程と排気工程とを判別できる。
【００３３】
なお、制御装置９は、上述の工程判別とともに、８個のパルス整形波形から１動作サイクルに要するサイクル周期Ｔを演算し、さらにその逆数を求め２倍して平均回転速度Ｎを演算している。したがって、本実施形態では、工程判別手段は動作サイクルを検出するサイクル検出手段としても機能する。
【００３４】
次に、制御装置９が燃料予混合アクチュエータ３５およびスロットルアクチュエータ５３を制御する動作について、図３を参考にして説明する。図３は、制御装置９が制御用アクチュエータを制御する動作を説明する動作フローの図である。図示されるように、制御装置９は、ステップＳ１で上述の工程判別処理を行い、ステップＳ２で動作サイクルのサイクル周期Ｔおよび平均回転速度Ｎを演算する。次に、ステップＳ３で、工程判別処理が
完了したか否か判断し、完了していればステップＳ４に進み、完了していなければステップＳ５に進む。工程判別処理が完了したか否かは、工程判別処理において、長いパルス整形波形Ｔ８３Ａの立ち上がりとその次の短いパルス整形波形Ｔ８２Ａの立ち上がりとの時間差を計測し、隣接する時間差の違いが計測されたか否かで判断する。すなわち、圧縮工程と排気工程が判別できたかどうかによって判断する。
【００３５】
ステップＳ４では、判別された工程中で吸気工程の開始よりも所定時間△Ｔ前に制御タイミングを設定する。所定時間△Ｔは、制御指令に対する燃料予混合アクチュエータ３５およびスロットルアクチュエータ５３の反応遅れ時間、および燃料弁３４の開度ＡＦおよびスロットル弁５２の開度ＡＳが変化してから、その変化によって燃料ガスの供給量や空燃比が変化した混合気がエンジン本体２のシリンダ２１内に供給されるまでの供給遅れ時間を考慮して定めることができる。供給遅れ時間は、平均回転速度Ｎを考慮して定めることができる。所定時間△Ｔを適正に設定することで、制御直後に新しい条件の混合気が吸気されるようになり、制御のタイムラグを抑制できる。なお、所定時間△Ｔは演算によって求めることもできるが、実験的に求めても良い。実用上、所定時間△Ｔは前もって求め、制御装置９内に一覧表形式のマップとして保持しておく。一覧表形式のマップは、平均回転速度Ｎなどに対する所定時間△Ｔの関係が収められている。
【００３６】
ステップＳ５では、工程が判別できていないので、所定時間△Ｔによる制御タイミングの設定は困難である。そこで、ステップＳ２で演算したサイクル周期Ｔごとに制御周期ＴＣを設定する。具体的には、図４に示される制御周期ＴＣを設定する。図４は、動作サイクル中の工程が判別できないときに、サイクル周期Ｔに基づいて制御周期ＴＣを設定する方法を説明する図である。図中の横軸は平均回転速度Ｎであり、縦軸は周期または時間である。図中のグラフ（１）は動作サイクルのサイクル周期Ｔを示し、破線のグラフ（２）はサイクル周期Ｔの半分すなわちクランク軸２３の回転周期ＴＫ（これは平均回転速度Ｎの逆数でもある）を示し、グラフ（３）は制御周期ＴＣを示している。
【００３７】
図中の下側回転速度Ｎｍｉｎと上側回転速度Ｎｍａｘの間が単気筒ガスエンジン１の常用範囲である。さらに、常用範囲は、下側回転速度Ｎｍｉｎから中間回転速度Ｎｍｉｄまでの低回転域と、中間回転速度Ｎｍｉｄから上側回転速度Ｎｍａｘまでの高回転域とに分けられている。Ｎｏは最低回転速度であり、エンジン始動時などに一時的に現れる。最低回転速度Ｎｏと下側回転速度Ｎｍｉｎとの間に所定回転速度Ｎａが設定されている。
【００３８】
この実施形態では平均回転速度Ｎを３つの領域に分け、各領域に一定値の制御周期ＴＣを設定している。すなわち、平均回転速度Ｎを、中間回転速度Ｎｍｉｄ以上の第１領域、所定回転速度Ｎａと中間回転速度Ｎｍｉｄとの間の第２領域、所定回転速度Ｎａと最低回転速度Ｎｏとの間の第３領域に分けて一定値の制御周期ＴＣを設定している。具体的には、各領域の最低の平均回転速度Ｎにおける制御周期ＴＣを固定制御周期として設定している。すなわち、第１領域では中間回転速度Ｎｍｉｄにおける制御周期ＴＣを第１固定制御周期ＴＣ１に設定し、第２領域では所定回転速度Ｎａにおける制御周期ＴＣを第２固定制御周期ＴＣ２に設定し、第３領域では最低回転速度Ｎｏにおける制御周期ＴＣを第３固定制御周期ＴＣ３に設定する。
【００３９】
制御装置９は、複数個の固定された第１固定制御周期ＴＣ１、第２固定制御周期ＴＣ２、および第３固定制御周期ＴＣ３を保持し、動作サイクルごとに２回に近く制御用アクチュエータを制御できるように、高回転域を含む第１領域で制御周期ＴＣ＝第１固定制御周期ＴＣ１を選択し、低回転域を含む第２領域で制御周期ＴＣ＝第２固定制御周期ＴＣ２を選択し、第３領域で制御周期ＴＣ＝第３固定制御周期ＴＣ３を選択する。図４に示された制御周期ＴＣは、回転周期ＴＫと同じか回転周期ＴＫよりもわずかに大きくなっている。したがって、アクチュエータ制御は回転周期中に１回に近い頻度で行われ、換言すれば、
動作サイクルごとに２回以下かつ２回に近い頻度となる。
【００４０】
図３のステップＳ６に戻り、現在時刻が制御タイミングであるか判定する。判定は、スステップＳ４で設定した制御タイミング、あるいはステップＳ５で設定した制御周期ＴＣに基づいた制御タイミングで行う。制御タイミングであれば、ステップＳ７で所定の内部演算に基づいて制御指令を定め、燃料予混合アクチュエータ３５およびスロットルアクチュエータ５３を制御し、燃料弁３４の開度ＡＦおよびスロットル弁５２の開度ＡＳを調整する。
【００４１】
次に、上述の実施形態の単気筒ガスエンジン１の効果について、図５〜図８を参考にして説明する。図５は、実施形態の単気筒ガスエンジン１の効果を確認した検証実験結果の図であり、常用範囲で制御周期ＴＣを第１固定制御周期ＴＣ１に設定している。図６も検証実験結果の図であり、常用範囲で制御周期ＴＣを第２固定制御周期ＴＣ２に設定している。また、図７は制御周期ＴＣを過小に設定した比較実験結果の図であり、図８は制御周期ＴＣを過大に設定した比較実験結果の図である。
【００４２】
図５〜図８において、横軸は時間ｔであり、縦軸に平均回転速度Ｎ、燃料弁３４の開度ＡＦ、スロットル弁５２の開度ＡＳを並記した。また、各実験では、目標回転速度をステップ状に変化させ、制御装置９は動作サイクルの工程を検出できないものとして制御周期ＴＣによる追従制御を行わせて、上記３量Ｎ、ＡＦ、ＡＳを測定した。具体的に、目標回転速度は下側回転速度Ｎｍｉｎから中間回転速度Ｎｍｉｄ、中高速回転速度Ｎｍｍを経て上側回転速度Ｎｍａｘまで増加させ、次いで、上側回転速度Ｎｍａｘから中高速回転速度Ｎｍｍ、中間回転速度Ｎｍｉｄを経て下側回転速度Ｎｍｉｎまで減少させた。
【００４３】
図５における制御周期ＴＣ＝第１固定制御周期ＴＣ１であり、中間回転速度Ｎｍｉｄでちょうど動作サイクルごとに２回の頻度で制御を行う条件となっている。この場合、下側回転速度Ｎｍｉｎで動作サイクルごとに２．３１回（図４のＭ１点に相当）の頻度で制御を行う条件となっており、上側回転速度Ｎｍａｘ動作サイクルごとに１．７１回（図４のＭ２点に相当）の頻度で制御を行う条件となっている。また、図６における制御周期ＴＣ＝第２固定制御周期ＴＣ２であり、下側回転速度Ｎｍｉｎで動作サイクルごとに１．８５回（図４のＭ３点に相当）の頻度で制御を行う条件となっており、上側回転速度Ｎｍａｘ動作サイクルごとに１．３７回（図４のＭ４点に相当）の頻度で制御を行う条件となっている。一方、図７における制御周期ＴＣ＝ＴＣ１×０．２５と過小に設定した。これは、常用範囲の領域で動作サイクルごとに６．８４〜９．２４回の頻度で制御を行う条件となっている。また、図８における制御周期ＴＣ＝ＴＣ１×２．５と過大に設定した。これは、常用範囲の領域で動作サイクルごとに０．６８〜０．９２回の頻度で制御を行う条件となっている。
【００４４】
図５に示される平均回転速度Ｎの応答性は、図７及び図８と比較すると良好である。ただし、図中Ｐ１に示されるように、下側回転速度Ｎｍｉｎで若干の不安定が認められる。
図６に示される平均回転速度Ｎの応答性は、常用範囲の全領域で概ね良好である。
【００４５】
一方、図７では、図中Ｐ２に示されるように目標回転速度が増加した直後に平均回転速度Ｎがオーバーシュートし、図中Ｐ３に示されるように目標回転速度が減少した直後に平均回転速度Ｎがアンダーシュートしている。また、図中Ｐ４に示されるように下側回転速度Ｎｍｉｎにおいて平均回転速度Ｎのハンチングが収束しない。つまり、制御周期ＴＣを過小に設定すると、制御用アクチュエータの反応遅れ時間と整合しないなどの理由により、平均回転速度Ｎの応答性が低下する。
【００４６】
また、図８では、図中Ｐ５に示されるように目標回転速度が増加した直後、平均回転速
度Ｎが一旦オーバーシュートしたのち減少し落ち着くまでに時間がかかる。また、図中Ｐ６に示されるように目標回転速度が減少した直後、平均回転速度Ｎが落ち着くまでに時間がかかる。つまり、制御周期ＴＣを過大に設定すると、平均回転速度Ｎの応答遅れが顕著となる。
【００４７】
図７および図８と比較すれば明らかなように、図５および図６における平均回転速度Ｎの応答性は良好であり、効果は明瞭である。図５および図６に示されるように、平均回転速度Ｎの常用範囲で制御周期ＴＣを一定にしても良い。その際、平均回転速度Ｎの常用範囲で１動作サイクルごとの制御用アクチュエータの制御回数が１〜３回に入っていることが必要である。この制御回数は、好ましくは、１．３〜２．５回の方が良い。なお、１動作サイクルごとの制御回数の好ましい下限値としては１．４や１．５が選択できる。１動作サイクルごとの制御回数の好ましい上限値としては２．３や２．４が選択できる。また、図４に示されるように、平均回転速度を複数の領域に分けて（図４では３つの領域に分けているが、２つの領域でも、４つ以上の領域に分けても良い）各領域ごとに制御周期を設定しても良い。あるいは、平均回転速度に応じて制御周期を変化させても良い。例えば、制御周期ＴＣ＝回転周期ＴＫとする。いずれの場合にも、１動作サイクルごとの制御用アクチュエータの制御回数が１〜３回（好ましくは１．３〜２．５回）の条件を満たす必要がある。
【００４８】
実施形態の単気筒ガスエンジン１では、制御装置９は制御周期ＴＣを平均回転速度Ｎに対応して可変とし、動作サイクルごとに２回に近い頻度で、燃料予混合アクチュエータ３５およびスロットルアクチュエータ５３を制御して、燃料弁３４の開度ＡＦおよびスロットル弁５２の開度ＡＳを調整する。これにより、制御のタイムラグを短縮できる。したがって、負荷変動に対し平均回転速度Ｎの応答遅れやオーバーシュートなどを抑制してエンジン１の能力を引き出すことができる。
【００４９】
さらに、実施形態の単気筒ガスエンジン１はコージェネレーション装置に用いた場合、発電電力を安定させることができる。また、空燃比を常に良好に保持してエネルギ効率に優れた負荷追従発電が可能になる。
【００５０】
なお、上記実施形態では、図２に示される工程判別器８を備える工程判別手段を、動作サイクルを検出するサイクル検出手段として使用したが、これに限定されない。例えば、単純にクランク軸の１回転を検出するセンサを備え、回転速度および動作サイクルのサイクル周期を求めるようにしてもよい。あるいは、着火タイミングを検出して、回転速度および動作サイクルのサイクル周期を求めるようにしてもよい。また、制御周期ＴＣの設定も図４の実施形態に限定されず、様々な設定方法を用いることができる。さらに、図５および図６の結果から明らかなように、制御周期ＴＣを設定して制御タイミングを制御する方法は、吸気工程よりも所定時間前に制御タイミングを設定する制御がなくても回転速度の応答遅れやオーバーシュートを良好に抑制できる。したがって、図３におけるステップＳ３やステップＳ４が存在しない制御も可能である。
【符号の説明】
【００５１】
１：単気筒ガスエンジン
２：エンジン本体
２１：シリンダ    ２２：ピストン    ２３：クランク軸    ２４：吸気ポート
２５：排気ポート    ２６：点火プラグ    ２７：ウォータジャケット
３：燃料ガス供給部
３４：燃料弁    ３５：燃料予混合アクチュエータ
４：空気供給部
５：混合気供給部
５１：ミキサー    ５２：スロットル弁    ５３：スロットルアクチュエータ
６：排気部
７：冷却水循環部
８：工程判別器
８１：回転検出プーリー    ８２：短歯    ８３：長歯    ８５：パルス発生器
９：制御装置
１０１：発電機    １０２：排熱回収装置
Ｔ：サイクル周期    ＴＫ：回転周期    ＴＣ：制御周期
ＴＣ１、ＴＣ２、ＴＣ３：第１、第２、および第３固定制御周期
Ｎ：平均回転速度
Ｎｍｉｎ：下側回転速度  Ｎｍｉｄ：中間回転速度  Ｎｍａｘ：上側回転速度
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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