(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
ガスエンジンと、前記ガスエンジンへの混合ガスが通過する混合ガス経路中に配置されたターボ過給機のコンプレッサと、前記混合ガス経路のうち前記コンプレッサを挟んだ上流側と下流側とを接続するバイパス経路と、前記ガスエンジンの負荷を検出する負荷検出部と、前記バイパス経路を開閉する開閉弁部材と、前記負荷検出部の検出結果に基づき前記開閉弁部材の開放時間を可変にする制御部とを備え、
前記バイパス経路のうち前記開閉弁部材よりも下流側に、サージタンクと絞り部とが配置され、
前記制御部には前記ガスエンジンの負荷の変化量と前記開放時間との関係に応じた開放制御データが予め記憶されており、前記制御部は、前記負荷検出部の検出結果から求まる前記変化量と前記開放制御データとから、前記開閉弁部材の前記開放時間を決定する、
ガスエンジン装置。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
ところで、この種のガスエンジン装置では、例えば何らかの要因でガスエンジンが無負荷状態になって出力が急減した場合、これに伴い吸気スロットル弁の開度が急減する(吸気スロットル弁が急激に閉じ作動する)。そうすると、ターボ過給機におけるコンプレッサの過給圧が異常上昇して、部分的な混合ガスの逆流によってターボ過給機にサージング(脈動)が発生する。当該サージングの発生は、ミキサ周辺の圧力バランスを崩して、燃料質量に対する吸気質量の比である空燃比に異常(リッチ化)をきたし、ノッキング等のガスエンジンの異常燃焼を招来することになる。しかし、前記従来の技術ではこの種の問題に十分に対処できていなかった。
【0005】
本願発明は上記のような現状に鑑みてなされたものであり、ターボ過給機でのサージング発生を的確に抑制できるガスエンジン装置を提供することを技術的課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【0006】
【0007】
請求項
1の発明に係るガスエンジン装置は、ガスエンジンと、前記ガスエンジンへの混合ガスが通過する混合ガス経路中に配置されたターボ過給機のコンプレッサと、前記混合ガス経路のうち前記コンプレッサを挟んだ上流側と下流側とを接続するバイパス経路と、前記ガスエンジンの負荷を検出する負荷検出部と、前記バイパス経路を開
閉する開閉弁部材と、前記負荷検出部の検出結果に基づき前記開閉弁部材の開放時間を可変にする制御部とを備え
、前記バイパス経路のうち前記開閉弁部材よりも下流側に、サージタンクと絞り部とが配置され、前記制御部には前記ガスエンジンの負荷の変化量と前記開放時間との関係に応じた開放制御データが予め記憶されており、前記制御部は、前記負荷検出部の検出結果から求まる前記変化量と前記開放制御データとから、前記開閉弁部材の前記開放時間を決定するというものである。
【0008】
【0009】
請求項
2の発明は、請求項
1に記載したガスエンジン装置において、前記開放制御データは、前記ガスエンジンの負荷の大小に応じて複数個設定されており、前記制御部は、前記負荷検出部の検出結果に基づき、前記開放時間決定に用いる前記開放制御データを選択するというものである。
【0010】
【発明の効果】
【0011】
一般に、ガスエンジン装置では、例えば何らかの要因でガスエンジンにかかる負荷が急減した場合に、混合ガス経路の下流側に位置する吸気スロットル弁の開度が急減して、ターボ過給機におけるコンプレッサの過給圧が異常上昇しようとする。これに対して、請求項1のガスエンジン装置では
、少なくとも発電電力の変化量(負荷検出部の検出結果から得られるガスエンジンの負荷変化量)をトリガーにして、前記変化量に見合った開放時間だけ開閉弁部材を開放できる。
【0012】
従って、請求項
1のガスエンジン装置で
は、過給圧の異常上昇時においては、開閉弁部材を開放作動させ、混合ガス経路のうちコンプレッサよりも上流側にバイパス経路経由で混合ガスを逃がせることから、コンプレッサの過給圧の異常上昇を確実に抑制できる。従って、部分的な混合ガスの逆流によるターボ過給機でのサージング(脈動)の発生をなくせるという効果を奏する。
更に、請求項1の発明に係るガスエンジン装置では、バイパス経路のうち開閉弁部材よりも下流側に、サージタンクと絞り部とが設けられているから、開閉弁部材を通過した混合ガスをサージタンク内に一時的に貯留でき、サージング回避のために瞬時に大量の混合ガスを混合ガス経路下流側(コンプレッサよりも下流側)から抜き取れるという利点がある。しかも、サージタンク内の混合ガスを絞り部経由で混合ガス経路上流側(コンプレッサよりも上流側)に戻すので、前記上流側の圧力バランスを壊すことなく混合ガスを還流できるという利点もある。
【0013】
特に請求項
1の発明によると、制御部にはガスエンジンの負荷の変化量と前記開放時間との関係に応じた開放制御データが予め記憶されており、前記制御部は、負荷検出部の検出結果から求まる前記変化量と開放制御データとから、開閉弁部材の開放時間を決定するから、ガスエンジンにかかる負荷の大小に応じて、好適な開放時間を設定できる。従って、ガスエンジンの全出力範囲(全負荷範囲)において、サージングを効果的に防止することが可能になるという効果を奏する。
【0014】
請求項
2の発明を採用すると、前記開放制御データは、前記ガスエンジンの負荷の大小に応じて複数個設定されており、前記制御部は、前記負荷検出部の検出結果に基づき、前記開放時間決定に用いる前記開放制御データを選択するから、例えば小さな負荷変化であっても、前記開放時間を充分に取って混合ガス(過給圧)を適切に逃がす制御が可能になり、制御精度の向上を図れる。
【0015】
【発明を実施するための形態】
【0017】
以下に、本願発明を具体化した実施形態を、エンジン21と発電機38とを有するエンジン発電装置1に適用した場合の図面に基づいて説明する。
【0018】
まず始めに、
図1〜
図3を参照しながら、エンジン発電装置1の構造について説明する。エンジン発電装置1は、動力源であるエンジン21と、当該エンジンの駆動にて発電する発電機38とを有している。実施形態のエンジン21は、天然ガスといった燃料ガスを用いて動力を発生させるいわゆるガスエンジンである。エンジン21は、出力軸(クランク軸と言ってもよい、図示省略)を有するシリンダブロック22と、シリンダブロック22上に搭載されたシリンダヘッド23とを備えている。シリンダヘッド23の一側面に吸気マニホールド24が設けられ、他側面には排気マニホールド25が設けられている。ベース台26上に、防振体27を介してエンジン21のシリンダブロック22が取り付けられている。従って、エンジン21は防振体27を介してベース台26に防振支持されている。
【0019】
発電機38は、シリンダブロック22から突出した出力軸の先端側に、動力伝達可能に連結されている。エンジン21の定速動力によって発電機38が発電駆動する。発電機38の駆動によって生じた発電電力が任意の電気系統に供給される。実施形態では、ベース台26のうちエンジン21と反対側の半部に、箱枠状のフレーム枠39が設けられている。フレーム枠39の内部側に発電機38が据え付けられている。
【0020】
エンジン21におけるシリンダブロック22の下面には、潤滑油を貯留するオイルパン28が配置されている。オイルパン28内の潤滑油は、出力軸の回転で駆動するオイルポンプ(図示省略)によって吸引され、エンジン冷却水にて潤滑油を冷却するオイルクーラ(図示省略)等を介して、エンジン21の各潤滑部に供給される。各潤滑部に供給された潤滑油はその後オイルパン28に戻される。オイルポンプ及びオイルクーラはシリンダブロック22に取り付けられている。
【0021】
シリンダヘッド23の側面にはインタークーラ31が取り付けられている。インタークーラ31の吸入側は、ターボ過給機32のコンプレッサ32a及びミキサ33を介して、外気(エンジン発電装置1周辺の空気)を除塵・浄化して取り込むエアクリーナ34に連結されている。ミキサ33には、燃焼ガスを供給するためのガス供給装置35も連結されている。インタークーラ31の排出側は、吸気スロットル弁36を介して吸気マニホールド24に連結されている。
【0022】
燃焼ガスと空気とをミキサ33にて混合撹拌して得られた混合ガスは、ターボ過給機32のコンプレッサ32aにて圧縮され高圧高温になる。そして、高温高圧の混合ガスがインタークーラ31にて冷却されてから、吸気スロットル弁36を介して吸気マニホールド24に送られ、エンジン21の各気筒に供給される。実施形態では、ターボ過給機32が排気マニホールド25の近傍に配置され、フレーム枠39の上面側にミキサ33とエアクリーナ34とが設けられている。フレーム枠39の一側面側にガス供給装置35が設けられている。
【0023】
ターボ過給機32は、ブロアホイールを内蔵した前述のコンプレッサ32aと、タービンホイールを内蔵した排気タービン32bとを有している。排気タービン32bの吸入側はエンジン21の排気マニホールド25に連結されている。排気タービン32bの排出側はテールパイプ37に連結されている。エンジン21の各気筒から排気マニホールド25に排出された排気ガスは、ターボ過給機32を経由して、テールパイプ37から外部に排出される。
【0024】
次に、
図3を参照しながら、エンジン21の吸気系統について説明する。
図3に詳細に示すように、ミキサ33における二箇所の吸入側のうち一方は吸気経路91を介してエアクリーナ34に接続され、他方は燃焼ガス経路92を介してガス供給装置35に接続されている。ミキサ33の排出側は、混合ガス経路93を介してエンジン21の吸気マニホールド24に接続されている。混合ガス経路93中には、上流側から順に、ターボ過給機32のコンプレッサ32a、インタークーラ31及び吸気スロットル弁36が設けられている。
【0025】
混合ガス経路93のうちコンプレッサ32a及びインタークーラ31を挟んだ上流側と下流側とは、これら32a,31を迂回するためのバイパス経路94によってもつながっている。バイパス経路94の吸入側は、混合ガス経路93のうちインタークーラ31と吸気スロットル弁36との間に接続されている。バイパス経路94の排出側は、混合ガス経路93のうちミキサ33とコンプレッサ32aとの間に接続されている。
【0026】
バイパス経路94の中途部には、コンプレッサ32aの過給圧を逃がす開閉弁部材としての開閉電磁弁95が設けられている。例えばエンジン21の出力が急減して吸気スロットル弁36の開度が急減(急閉)した場合に開閉電磁弁95を開くことによって、コンプレッサ32aの過給圧の異常上昇が抑制される。その結果、ターボ過給機32におけるサージングの発生が防止される。なお、開閉電磁弁95は通常、閉じ状態に保持される(ノーマリークローズ形式)。
【0027】
バイパス経路94のうち開閉電磁弁95よりも下流側には、サージタンク96と絞り部97とが設けられている。サージタンク96は、コンプレッサ32aの上流側に逃がす混合ガスを一時的に貯留するものである。実施形態のサージタンク96は、バイパス経路94のうち開閉電磁弁95と排出側の接続部との間に位置している。絞り部97は、コンプレッサ32aの上流側に逃がす混合ガスの流量を制限するものである。実施形態の絞り部97は、バイパス経路94のうちサージタンク96よりも下流側に位置している。
【0028】
次に、
図1〜
図4を参照しながら、エンジン21の過給圧開放制御を実行する構造について説明する。
図1及び
図2に示すように、発電機38を挟んでエンジン21の反対側には、制御部としてのエンジンコントローラ101(
図4参照)等を有する制御盤100が配置されている。制御盤100内のエンジンコントローラ101は、各種演算処理を実行するCPU102のほか、制御プログラムやデータを記憶させるROM103、制御プログラムやデータを一時的に記憶するRAM104、タイマー機能としてのクロック、センサーやアクチュエータ等との間でデータのやり取りをする入出力インターフェイス等を有している。エンジンコントローラ101の入出力インターフェイスには、発電機38の駆動によって生ずる発電電力を検出する電力トランスデューサ105、発電機38と供給先の電気系統との間に設けられた遮断器106、及びバイパス経路94中途部にある開閉電磁弁95等が電気的に接続されている。
【0029】
エンジンコントローラ101は、遮断器106の開放動作(負荷遮断動作)によってエンジン21が無負荷状態になると、予め定められた開放時間toだけ開閉電磁弁95を開放して、コンプレッサ32aの過給圧をその上流側に逃がす過給圧開放制御を実行するように構成されている。遮断器106の開放動作を、開閉電磁弁95の開放動作のトリガーにしている。なお、電力トランスデューサ105は、エンジンコントローラ101と共に制御盤100内に配置されている。
【0030】
次に、
図5及び
図6を参照しながら、過給圧開放制御の流れの一例について説明する。なお、
図5のフローチャートにて示されるアルゴリズムは、エンジンコントローラ101のROM103にプログラムとして記憶されており、RAM104に読み出されてからCPU102にて実行される。また、エンジン21無負荷時の開閉電磁弁95の開放時間toと、エンジン21の最小駆動出力に対応した発電機38の最小発電電力Eminとに関するデータは、エンジンコントローラ101のROM103等に予め記憶させ設定されている。
【0031】
図5のフローチャート及び
図6(a)〜(c)の説明図に示すように、エンジンコントローラ101はまず、電力トランスデューサ105の検出結果である現時点の発電電力Enowを読み込む(S01)。それから、現時点の発電電力Enowが最小発電電力Emin以上(S02:YES)の場合において、遮断器106が開放されていれば(S03:YES)、開閉電磁弁95を開放時間toだけ開放させて再び閉止させる(S04)。
【0032】
この種のエンジン21及び発電機38を搭載したエンジン発電装置1では、遮断器106が開き動作した場合、エンジン21にかかる負荷が急減して無負荷状態になり、吸気スロットル弁36の開度が急減する。そうすると、ターボ過給機32におけるコンプレッサ32aの過給圧が異常上昇しようとするが、この場合は、遮断器106の開放動作をトリガーにして、開閉電磁弁95を開放時間toだけ開くことによって、混合ガス経路93のうちコンプレッサ32aよりも上流側に、バイパス経路94経由で混合ガスを逃がせるから、コンプレッサ32aの過給圧の異常上昇を確実に抑制できる。従って、部分的な混合ガスの逆流によるターボ過給機32でのサージング(脈動)の発生をなくせるのである。
【0033】
特にこの場合は、バイパス経路94のうち開閉電磁弁95よりも下流側に、サージタンク96と絞り部97とが設けられているから、開閉電磁弁95を通過した混合ガスをサージタンク96内に一時的に貯留でき、サージング回避のために瞬時に大量の混合ガスを混合ガス経路93下流側(コンプレッサ32aよりも下流側)から抜き取れるという利点がある。しかも、サージタンク96内の混合ガスを絞り部97経由で混合ガス経路93上流側(コンプレッサ32aよりも上流側)に戻すので、前記上流側の圧力バランスを壊すことなく混合ガスを還流できるという利点もある。
【0034】
次に、
図7〜
図9を参照しながら、エンジン21の過給圧開放制御の別例について説明する。過給圧開放制御の別例では、コンプレッサ32aの過給圧をその上流側に逃がす際に、開閉電磁弁95の開放時間tbを発電電力の変化量ΔEに応じて可変にしている。発電電力の変化量ΔEは、変化前の発電電力と変化後の発電電力との差であり、エンジン21の負荷変化量に対応している。これは、発電機38の発電電力がエンジン21の出力(負荷と言ってもよい)と比例関係にあるからである。また、別例では変化量ΔEの単位を百分率(%)にしている。これは、発電電力(≒エンジン21出力)が最高のときを100%として、各状態での発電電力の比率を算出したためである。発電電力の変化量ΔEや電力変化速度Vは、電力トランスデューサ105の検出結果から求められ、常時算出されるものである。
【0035】
エンジンコントローラ101には、変化量ΔEと開放時間tbとの関係を示す開放制御データとしての開放制御マップM1,M2が予め記憶されている。この種の開放制御マップM1,M2は実験等によって求められる。なお、開放制御データは当該別例のようなマップ形式に限らず、例えば関数表やセットデータ(データテーブル)等でも差し支えない。
図7には、エンジンコントローラ101に記憶された開放制御マップM1,M2をグラフ化して示している。
図7のグラフでは、変化量ΔEを横軸に採り、開放時間tbを縦軸に採っている。この場合、変化前の発電電力(%)の大小に応じて、基準線L1を有する開放制御マップM1と、基準線L2を有する開放制御マップM2との2種類が用意されている。
図10には、開放制御マップM1,M2の両方を併記して示している。
【0036】
図7において、開放制御マップM1の細い実線は、変化前の発電電力が50%未満の場合に参照する第1基準線L1であり、開放制御マップM2の太い実線は、変化前の発電電力が50%以上の場合に参照する第2基準線L2である。いずれの場合も、変化量ΔEが大きくなるほど開放時間tbが長くなる傾向にある。前述の50%という値は任意に変更してよい。また、開放制御マップM1,M2の数も2つに限らず、3つ以上でも差し支えない。細い実線L1(第1基準線)は、太い実線L2(第2基準線)に比べて勾配をなだらかにしている。これは、変化前の発電電力が小さくて、コンプレッサ32aの下流側とサージタンク96との差圧が小さい場合にも、開放時間を充分に確保して、コンプレッサの過給圧を確実に逃がすための措置である。
【0037】
次に、
図8及び
図9を参照して、過給圧開放制御の別例の流れを説明する。なお、予め設定され設定時間ta、最小変化量ΔEmin及び最小電力変化速度Vminに関するデータは、エンジンコントローラ101のROM103等に予め記憶させ設定されている。ちなみに、当該別例において、設定時間taは例えば0.2〜3秒程度とされる。
【0038】
図8のフローチャート及び
図9(a)(b)の説明図に示すように、エンジンコントローラ101はまず、電力トランスデューサ105の検出結果である現時点の発電電力Enowを読み込み(S11)、当該読み込まれた発電電力Enowが最小発電電力Emin以上か否かを判別する(S12)。発電電力Enowが最小発電電力Emin以上であれば(S12:YES)、発電機38ひいてはエンジン21が通常通りの駆動状態であるから、次いで、発電電力Enowに応じた開放制御マップM1,M2を選択し(S13)、常時算出される発電電力の変化量ΔE及び電力変化速度Vから、電力変化速度Vが最小電力変化速度Vmin以上で且つ変化量ΔEが最小変化量ΔEmin以上か否かを判別する(S14)。両方の条件が成立する場合は(S14:YES)、発電電力Enowの変化開始時から設定時間ta経過後の変化量ΔEta=Enow(先)−Enow(後)を算出し(S15)、ステップS13で選択された開放制御マップM1,M2と、設定時間ta経過後の変化量ΔEtaとから、開放時間tbを求めて(S16)、発電電力Enowの変化開始時から設定時間ta経過後に、開放時間tbだけ開閉電磁弁95を開放させ、その後再び閉止させるのである(S17)。
【0039】
以上の制御を採用すると、例えば何らかの要因によってエンジン21にかかる負荷が急減して、吸気スロットル弁36の開度が急減したとしても、発電電力の変化量ΔE及び電力変化速度Vをトリガーにして、変化量ΔEに見合った開放時間tbだけ開閉電磁弁95を開放できる。従って、先に説明した過給圧開放制御の場合と同様に、混合ガス経路93のうちコンプレッサ32aよりも上流側に、バイパス経路94経由で混合ガスを逃がして、コンプレッサ32aの過給圧の異常上昇を確実に抑制できることになり、ターボ過給機32でのサージング(脈動)の発生をなくせる。
【0040】
特に別例では、発電電力Enowひいてはエンジン21にかかる負荷の大小に応じて、好適な開放時間tbを設定できるから、エンジン21の全出力範囲(全負荷範囲)において、サージングを効果的に防止することが可能になる。また、開放制御データM1,M2は、エンジン21の負荷の大小に応じて複数個(別例では2つ)設定されており、エンジンコントローラ101は、電力トランスデューサ105の検出結果である現時点の発電電力Enowに基づき、開放時間tb決定に用いる開放制御データM1,M2を選択するから、例えば小さな負荷変化であっても、開放時間Tbを充分に取って混合ガス(過給圧)を適切に逃がす制御が可能になり、制御精度の向上を図れる。なお、別例においても、バイパス経路94のうち開閉電磁弁95よりも下流側に設けられたサージタンク96及び絞り部97の効果が有効に発揮されることは言うまでもない。
【0041】
その他、各部の構成は図示の実施形態に限定されるものではなく、本願発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能である。