(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電システムにおいて原動機エンジンのエンジン回転数（ＲＰＭ）を制御するコントローラであって
、前記コントローラの複数の電気部品を収容するハウジングと、
前記原動機エンジンの回転運動を検知するエンジン速度センサーを有するエンジン速度プロセッサであって、前記回転運動は前記エンジン回転数（ＲＰＭ）に対応するものであり、このエンジン速度プロセッサは第１の演算増幅器を更に有し、この第１の演算増幅器はエンジン速度センサー出力及び個別の基準電圧を受け取り、この受け取った前記エンジン速度センサー出力及び基準電圧に基づいて第１のエンジン速度信号を発生させる、エンジン速度プロセッサと、
入力速度プロセッサであって、アナログ信号をデジタル信号に変換する信号調節器を有し、この信号調節器は前記第１のエンジン速度信号を受け取り、これをデジタル信号に変換し、第２のエンジン速度信号として出力する、入力速度プロセッサと、
前記第２のエンジン速度信号を受け、当該第２のエンジン速度信号をクロック信号と関連付けて前記エンジン回転数（ＲＰＭ）を計算するエンジン測定回路であって、前記エンジン回転数（ＲＰＭ）を少なくとも１つの記憶格納ユニットに格納する、エンジン測定回路と、
デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）コントローラであって、前記エンジン測定回路と少なくとも１つの複数ピン接続により連結されるものであり、それにより前記ＤＳＰが前記エンジン測定回路の前記少なくとも１つの記憶格納ユニットにアクセスできるものである
、前記デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）コントローラと、
前記ＤＳＰから通信バスを通じてＣＡＮバス入力を受け、さらに前記エンジン回転数（ＲＰＭ）を制御するための出力制御信号をホストコントローラに供給する、ホスト通信インターフェースと
を有するコントローラ。
【請求項２】
請求項１に記載のコントローラにおいて、前記エンジン測定回路は、そこにプログラムされた機械可読命令を有するフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）回路を有するものである、コントローラ。
【請求項３】
請求項２に記載のコントローラにおいて、前記エンジン測定回路は、そこにデジタルクロック、カウンタ、および周波数コンバータをさらに有するものである、コントローラ。
【請求項４】
請求項１に記載のコントローラにおいて、前記信号調節器は、第２の演算増幅器を有するものであり、この第２の演算増幅器は、前記第１のエンジン速度信号および個別の基準電圧を受け取り、この受け取った第１のエンジン速度信号および基準電圧に基づいた出力を発生させるものである、コントローラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、内燃エンジンを制御するコントローラおよび制御回路に関し、発電機を駆動して発電するためのガス燃料による内燃式原動機を含むものに関する。
【背景技術】
【０００２】
現代の内燃エンジンは一般的に制御回路によって制御され、それは典型的には、マイクロプロセッサと、当該エンジンの運転の速度およびその他のパラメータを制御するようにプログラムされた命令とを含む。自動車（例えば、乗用車およびトラック）では、前記内燃エンジンはエンジン管理システムのハードウエアおよびその車両の製造者によってプログラムされたソフトウエアに従って稼働される。その基本的なエンジン特性の操作で望ましい性能結果または変更を達成するため、アフターマーケットにおけるそれらエンジン管理回路およびソフトウエアの変更がしばしば実施される。
【０００３】
同様に、発電システムにおいて使用されるエンジン（原動機）は、電気回路および当該回路において実行されるプログラムされた命令によって制御され且つ監視される。１分当たりのエンジン回転数（ＲＰＭ）、稼働温度、圧力、燃料および空気取込率、および、ある排気ガスの濃度などの入力全てが操作者の入力に加えてエンジンを制御および駆動するのに使用される。
【０００４】
エンジンコントローラおよび制御回路（纏めて"エンジンコントローラ"）には、様々な形態のものが存在する。多くのエンジンコントローラは、当該エンジンコントローラが配置される不利な物理的条件のために環境的影響を受けやすい傾向にある。例えば、エンジンコントローラは、極高低温およびその他の条件、例えば高い湿度、汚染および振動などにさらされうる。エンジンコントローラの現代の回路は、このような環境的影響によりダメージを受けやすい可能性があり、またその結果、エンジンコントローラの信頼性または寿命が低くなる。故障したエンジンコントローラの結末は、非最適なエンジン運転から、当該エンジンおよび付随する装備の破壊的なダメージまたは更にはエンジン操作者の人体損傷まで変わり得る。幾つかの用途では、空間が重視され、エンジンコントローラが可能な限り狭い空間に置かれるようにしなければならず、それは幾つかの用途において前記コントローラの設計に組み込まれる。さらに、無駄のなさがエンジンコントローラの設計を考慮する上で必要な因子となり、それにより概して商業的なエンジンおよび制御システムが設計、材料およびその製造コストを保つように作られる。
【０００５】
従って、エンジンコントローラを改良する複数の動機により、エンジンコントローラの本開示が、特に発電機の原動機または多機能システム設計の熱電供給用エンジンのためのエンジンコントローラの本開示が特徴付けられる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示は、内燃エンジンを制御するコントローラおよび制御回路に関し、発電機を駆動して発電するためのガス燃料による内燃式原動機を含むものに関する。本設計は、発電機（電気負荷、例えば、電気系統、ＡＣまたはＤＣバス、および付随の負荷などを供給する）を駆動するのに使用される内燃エンジン用のエンジンコントローラに用いられる。
【０００７】
本発明の態様は、発電システムにおいて原動機エンジンのエンジン速度を制御するコントローラであって、前記コントローラの複数の電気部品を含むハウジングと、前記原動機エンジンの運動を検知し、第１のエンジン速度信号を発生させる、エンジン速度プロセッサと、前記第１のエンジン速度信号を受け、当該第１のエンジン速度信号に少なくとも部分的に対応する第２のエンジン速度信号を発生させる、入力速度プロセッサと、前記第２のエンジン速度信号を受け、当該第２のエンジン速度信号をクロック信号と関連付け、エンジン回転数（ＲＰＭ）および前記エンジンの速度に関するその他のデータを少なくとも１つの記憶格納ユニットに格納する、エンジン測定回路と、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）コントローラであって、前記エンジン測定回路と少なくとも１つの複数ピン接続により連結されるものであり、それにより前記ＤＳＰが前記エンジン測定回路の前記少なくとも１つの記憶格納ユニットにアクセスできるものである、前記デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）コントローラと、前記ＤＳＰから通信バスを通じて信号を受け、さらに出力制御信号を供給して前記エンジンの速度を制御する、ホスト通信インターフェースとを有するコントローラを含む。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
本発明の本質および利点のより十分な理解のために、添付の図面と共に好適な実施形態についての下記の詳細な説明を参照する。
【図１】図１は、電力の発生、変換、負荷への伝送のための例示的な設計概念を示す。
【図２】図２は、エンジンコントローラの図を示す。
【図３】図３は、例示的なエンジン測定回路および構成要素を示す。
【図４】図４は、エンジン速度プロセッサを示す。
【図５】図５は、入力速度プロセッサを示す。
【図６】図６は、ホスト通信インターフェースを示す。
【図７】図７は、エンジンコントローラの図を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
前述したように、エンジンコントローラ設計の改良は、エンジンおよび／またはエンジン発電機システムのより良い耐久性、寿命、効率、および節約を提供する。このようなシステムは、例えば電動発電機ペアおよび熱電供給システムにおいて採用される。特に、本エンジンコントローラは、これに限られるものではないが、ワイド・オープン・スロットルで操作される、または実質的にそれで操作されるエンジンに使用されるものであり、上記用途において内燃エンジンの効率的な利用を提供するため本出願人によって見つけられた操作の方法である。
【００１０】
図１は、電動発電機（ｍｏｔｏｒ−ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）およびその他の（例えば、太陽光、バッテリーなど）発電システム１０を示す。電動発電機１００は、交流電流（ＡＣ）電力を出力するものであり、当該交流電流電力はＡＣ−ＤＣコンバータ（ＡＣＤＣ）１０２において直流電流（ＤＣ）電力 に変換される。太陽光収集システム１１０はＤＣ電力出力を発生させるものであり、当該ＤＣ電力出力はＤＣ−ＤＣコンバータ（ＤＣＤＣ）１１２において必要に応じて変換又は調節されてよい。ＡＤＣ１０２およびＤＤＣ１１２からのＤＣ出力は、共通のＤＣバス１２０に伝送される。ＤＣ−ＡＣコンバータ（ＤＣＡＣ）１３０は共通のバス１２０からの前記ＤＣ電力をＡＣ電力に変換する。当該ＡＣ電力は負荷１４０に供給される。負荷１４０は、電力系統、顧客設備、工業的若しくは住居のインフラ、または単独負荷であってよい。
【００１１】
図２は、本発明の１若しくはそれ以上の実施形態に従う内燃エンジンコントローラ２０の設計概念を示す。コントローラ２０の幾つかの構成要素は以下でより詳細に説明する。
【００１２】
エンジン速度プロセッサ若しくは回路３０は、前記内燃式原動機（エンジン）の回転速度（例えば、1分当たりの回転数または等価のもの）に対応するエンジン速度信号３２を発生させるのに使用される。エンジン速度信号３２は、エンジン速度プロセッサ若しくは回路３０から入力速度プロセッサ若しくは回路４０へ供給され、当該入力速度プロセッサ若しくは回路４０が次いで、コントローラ２０のその他の部分で使用するためのエンジン速度入力信号４２を出力する。エンジン測定回路５０は、その入力バスまたは入力ピンインターフェースでエンジン速度入力信号４２を含む複数の信号を受ける。共用データバス５２および共有アドレス（ＡＤＤＲ）バス５４が、エンジン測定回路５０とデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）コントローラ若しくは回路６０との間に配置される。ＤＳＰコントローラ６０は、前記システムのその他の構成要素およびセンサからのエンジン性能および速度に関する前記入力を処理し、ＣＡＮバス信号６２を出力する。ＣＡＮバス信号６２はホスト通信インターフェース回路７０を通じてホストコントローラにホストコントローラ信号７２として送られる。
【００１３】
図３は、エンジン測定回路５０の詳細を示す。エンジン測定回路５０は本明細書で述べるようにエンジン速度を表す入力ＥＳＳ２  ４２を受ける。エンジン測定回路５０は、一般的に相互に接続された構成要素として見ることができ、クロック発生器５１と速度信号パルス（＋ｎ）構成要素５５とを含む。当該クロック発振器５１と速度信号パルス（＋ｎ）構成要素５５は共にカウンタ５３に信号を供給し、次いで、カウンタ５３が出力信号を周波数（ＲＰＭ）コンバータ５７に供給する。ＦＰＧＡエンジン測定回路５０は、上述したようにＤＳＰコントローラ６０と接続される。
【００１４】
図４は、本発明の１若しくはそれ以上の実施形態に従うエンジン速度プロセッサまたは回路３０の例示的な配置を示す。当業者であれば、本実施例の説明的な実施形態の他に等価または類似の実施形態が一般性を損なうことなく実施され得ることを理解するであろう。様々な実施が、目の前の特定の用途、設計、制約、およびその他の要因に依拠してよい。このようなその他の形態および実施例は、本願の請求の範囲によって合理的に理解されることを意図するものである。
【００１５】
図４は、コントローラシステム２０の一部であるエンジン速度信号発生器３０の回路構成を示す。２ピン入力センサまたはインターフェースコネクタＰ１が、直接的または間接的にエンジン速度センサと接続される。回路３０への電力はＶ１およびＶ２で供給され、それは電力供給バスまたは類似の電圧基準電源から１５ボルト供給の形で受けることができる。対となる均衡のとれた入力抵抗Ｒ１、Ｒ２が、Ｐ１と演算増幅器（ｏｐ  ａｍｐ）Ａ１間に図示されるように配置される。第１のＲＣループは抵抗Ｒ４を有し、また、コンデンサＣ１が演算増幅器Ａ１の第１の入力部（―）と接続される。第２のＲＣループは抵抗Ｒ３を有し、また、コンデンサＣ２（Ｇ１を通じて接地される）が演算増幅器Ａ１の第２の入力部（＋）と接続される。コンデンサＣ３およびＣ５が、電圧入力点Ｖ１およびＶ２と接地点Ｇ２およびＧ３との間にそれぞれ配置される。第１のエンジン速度信号（ＥＳＳ１、３２）を示す演算増幅器Ａ１の出力は、コンデンサＣ４を通じて入力速度プロセッサ回路４０に送られる。
【００１６】
図５は、コントローラシステム２０の一部であるエンジン入力速度処理回路４０を示す。回路４０は、前図で参照される第１のエンジン速度信号ＥＳＳ１、３２を入力抵抗Ｒ５を通じて受ける。Ｒ５の出力は、演算増幅器Ａ２の第１の入力部（＋）に供給される。演算増幅器の第２の入力部（−）は抵抗Ｒ６を通じてグランドＧ４と接続される。Ａ２はさらに、コンデンサＣ６およびＣ７と接続された電源電圧Ｖ３およびＶ４から電圧供給される。演算増幅器Ａ２の出力は抵抗Ｒ８を通じて第１のダイオードＤ１に送られる。第２のダイオードＤ２はＧ５でグランドと接続される。ダイオードＤ１およびＤ２の出力は、抵抗Ｒ１０を通じてシュミットトリガ・インバータＡ３の入力と接続され、また接続抵抗Ｒ９を通じてグランドＧ５に接続され結合して戻される。インバータＡ３は、前記コントローラ回路のアナログおよびデジタル部分間の信号調節を向上させる。インバータＡ３は、回路４０の、前記エンジンの速度を示す第２の信号である出力ＥＳＳ２、４２を送る。この第２のエンジン速度信号（ＥＳＳ２）は、下記ＦＰＧＡ回路５０で用いる速度入力（ＳＰＥＥＤ＿ＩＮ）信号として使用できる。
【００１７】
ＦＰＧＡ処理回路５０は、複数ピン入出力回路インターフェースとコントローラ２０のその他の構成要素２０とを有する集積回路（ＩＣ）である。ＦＰＧＡにより受ける１つの入力は、本開示の主題である原動機エンジンの回転速度を示す上述した第２のエンジン速度信号ＥＳＳ２、４２である。その他の電気信号およびクロック入力等もまたエンジン測定回路５０へ供給される。
【００１８】
一態様において、原動機エンジンの１つの機械的回転により、前記速度センサが数"Ｑ"の出力電気パルスを発生させる。それは１００を超えるようなパルスであってよい。前記数"Ｑ"は、前記原動機エンジンの４分の１回転の出力パルスの数を確認するために４で割ることができる。前記４分の１回転の周期性は次いで、クロックカウントと、前記エンジンの一分当たりの回転（ＲＰＭ）を計算する態様において関連付けられてもよい。当業者であれば、回転数カウント及びクロック及び速度処理のその他の技術が考えられうるが、それは本発明によって理解されるものであり、また、これはそのようにするほんの１つの例示的技術に過ぎないことを理解されよう。
【００１９】
前記エンジン測定回路５０は、１若しくはそれ以上の電気的バスによりデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）コントローラ回路６０と接続されているものであり、それによりＤＳＰ６０が回路５０の記憶格納ユニットまたはアドレスにアクセスすることができる。エンジン測定回路５０は、一実施形態においてフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ｆｉｅｌｄ  ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  ｇａｔｅ  ａｒｒａｙ：ＦＰＧＡ）を有してもよい。他の一実施形態において、エンジン測定回路５０は、縮小命令セット回路（Ｒｅｄｕｃｅｄ  Ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ  Ｓｅｔ  Ｃｉｒｃｕｉｔ：ＲＩＳＣ）を有してもよい。
【００２０】
一例において、説明のために本明細書で提示されるように、２つのバスがエンジン測定回路５とＤＳＰコントローラ回路６０を接続する。1つ目はデータバス５２であり、２つ目はアドレスバス５４である。エンジン測定回路５０は、前記エンジン速度を測定し、その速度をレジスタ（例えば、記憶ユニット）に格納するように構成されている。ＤＳＰコントローラ回路６０はこのレジスタの内容をデータバス５２およびアドレスバス５４を通じて読み込むことができる。回路５０の格納レジスタにおけるその他の情報には、デジタルＩ／Ｏステータス、ＡＣライン周波数、および回路５０プログラムＲＰＭデータが含まれる。一形態において、ＤＳＰコントローラ回路６０は、テキサス・インスツルメンツ（Ｔｅｘａｓ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）からのＴＭ３２０ファミリＤＳＰコントローラチップまたは類似のＤＳＰチップを有する。ＤＳＰコントローラ回路６０は、縮小命令セットなどの機械実行可能な命令でプログラムすることができ、それによりそこで信号処理機能を可能にする。一態様において、ＤＳＰ回路６０はＦＰＧＡエンジン測定回路５０に前述したバス５２および５４を通じて接続される。ＤＳＰコントローラ６０は、ＣＡＮバス信号６２を送るものであり、当該信号は、幾つかの実施形態においてコントローラ・エリア・ネットワーク（ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ  ａｒｅａ  ｎｅｔｗｏｒｋ：ＣＡＮ）バスを超える信号を含む。一例において前記ＣＡＮバスは、例えばｗｗｗ．ｔｉ．ｃｏｍ／ｌｉｔ／ｄｓ／ｓｙｍｌｉｎｋ／ｉｓｏ１０５０．ｐｄｆに記載されるＩＳＯ１０５０に準拠している。
【００２１】
図６は、コントローラシステム２０の一部である例示的なホスト通信インターフェース回路７０を示す。前記コントローラのこの部分は、適切なＣＡＮ信号プロトコル（例えばＩＳＯ１０５０）に従ってＤＳＰコントローラ６０と信号を送受するＣＡＮバス入力（ＣＡＮ  Ｒｘ及びＣＡＮ  Ｔｘ）を受ける。前記ＣＡＮバス入力は、ＩＳＯ１０５０回路（チップ）Ｐ２の各ピン接続に供給される。回路Ｐ２へのその他の入力としては電圧入力Ｖ５およびＶ６であり、これらはそれぞれコンデンサＣ８およびＣ９によってグランドＧ６およびＧ７から分離されている。回路Ｐ２は、図示されるように、さらにグランド接続Ｇ８およびＧ９で接地される。回路Ｐ２は、ＣＡＮ出力を対となる２ピンヘッダＰ４及びＰ５へ供給する。当該２ピンヘッダＰ４及びＰ５は、一実施形態では図示されるように、ヘッダＰ４およびインダクタＩ２へＣＡＮ  Ｌｏｗ（ＣＡＮＬ）信号を、またヘッダＰ５およびインダクタＩ１へＣＡＮ  Ｈｉｇｈ（ＣＡＮＨ）信号を供給する。ヘッダＰ４およびＰ５は抵抗Ｒ１１およびＲ１２を通じてそれぞれ接地されるものであり、それらは共にグランド１０にコンデンサＣ１１を通じて同様に接続される。ここで、ヘッダはコネクタとして働き、典型的にはオスコネクタである。Ｉ１およびＩ２は、幾つかの実施形態において一部分を構成することができ、それはコモン・モード・チョークとすることができる。
【００２２】
４ピンヘッダＰ３は、インダクタＩ１、Ｉ２の前記出力と接続（ｔａｐ）され、またさらに電圧Ｖ７とコンデンサＣ１０を経由して接続される。４ピンヘッダＰ３と接続されるＩ１およびＩ２出力タップは、さらに、複数ピンＣＡＮ入出力（Ｉ／Ｏ）通信コネクタ７４のそれぞれのピンと接続される。ＣＡＮ  Ｉ／Ｏコネクタ７４は、さらにグランドＧ１１に接続される。最後に、ＣＡＮ  Ｉ／Ｏコネクタ７４は、前記原動機エンジン発生機ペアの速度を制御するために使用される出力通信信号（ＯＣＳ）７２を供給する。図中のグランド接続Ｇ１１は、物理的コネクタ本体が接地されていることを示す。
【００２３】
図７は、本発明の一実施形態に従う内部エンジンコントローラシステム８０および回路構成を示す。システム８０は、負荷８６０への電力を発生させるのに使用されるエンジン発生機ペア（例えば８２０、８３０）の前記動作、速度、およびその他の機能パラメータを制御するのに用いられる。当業者であれば、前記説明した実施形態の幾つかの部品の位置を変えることにより等価の実施が可能であり、それは添付の請求項により理解されるものであることを理解されよう。また、前記説明したエンジンコントローラは詳細の簡易化を表すものであり、当該詳細の簡易化は当業者により理解されるであろう。例えば、デジタル信号処理（ＤＳＰ）およびその他のコントローラ、増幅部、および処理ユニットそれら自体は、サブ要素および回路並びにロジックブロックを含んでもよく、当該サブ要素および回路並びにロジックブロックは、本願の図面に示されていないが前記デジタル信号処理（ＤＳＰ）およびその他のコントローラ、増幅部、および処理ユニットの一部であることを理解されよう。これらの詳細は、変更でき、また特に上述した部品は一般性を損なうことなく任意の用途のために必要に応じて類似または等価な部品に置き換えることができるであろう。上述したように、エンジンまたは発電機またはシャフトＲＰＭセンサ（一般的には、速度センサ）８２５は、エンジン８２０および／または発電機８３０の回転速度を検知する。速度センサ８２５は、エンジン速度に対応する信号を速度検知増幅器８６０に供給し、次いで当該検知増幅器８６０は増幅されたエンジン速度信号を信号調節器８７０に供給する。信号調節器８７０の出力はエンジン速度測定回路８２０に供給される。エンジン速度測定回路８２０は、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ｆｉｅｌｄ  ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  ｇａｔｅ  ａｒｒａｙ：ＦＰＧＡ）アーキテクチャとして実施されてよいが、またその他の（例えばＲＩＳＣ）の形態で実施されてもよい。速度測定ＦＰＧＡ８２０の出力は速度フィードバック信号８２１を有する。
【００２４】
エンジンコントローラ８０は、プロセッサを有するホスト・マイクロコントローラ・ユニット（ＭＣＵ）８１０と、デジタル信号処理（ＤＳＰ）コントローラ８００、および出力電力命令または信号８１４を受けエンジン速度命令８１２を生成するその他のエンジン速度測定および信号操作要素とを含む。当業者であればこの実施形態における前記例示的なＤＳＰをその他のアーキテクチャ、例えば汎用プロセッサ、グラフィックプロセッサなどと置換できることに留意されたい。
【００２５】
前記エンジン速度命令および速度フィードバック信号８２１は、ＤＳＰコントローラ８００の比較器８０８に供給される。比較器８０８の出力はＰＩＤ８０４に送られる。ＰＩＤ８０４は、速度エラー信号を増幅し、インバータ系統接続コントローラ８０２による使用のための出力電流命令８０６を生成する。
【００２６】
発電機８３０は、ＡＣ電力をＡＣ／ＤＣコンバータ（ＡＤＣ）８４０および制御可能なＤＣ／ＡＣインバータ８５０を通じて負荷８６０に供給する。
【００２７】
従って、前記エンジン速度は、その他の因子の中でも上記制御回路８０を通じてインバータを制御してエンジン８２０および発電機８３０およびインバータ８５０の動作を最適化するのに用いられ、特にエンジン８２０がフルスロットルモードまたはワイド・オープン・スロットル（ＷＯＴ）モードの動作で稼働する場合に用いられる。
【００２８】
本発明は、上述した特定の実施形態に限られるものではなく、本願の請求項で適正に記載した通り本発明の態様全てを包含するものであることを理解されたい。本開示の検討において本発明が対象とする当業者にとって、様々な変更形態、等価な処理、および本発明に適用可能な複数の構造が明らかとなるであろう。当該請求項はこのような変更形態を包含することが意図されている。
【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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