JP4452092B2 - ガスエンジンの燃焼制御方法及びその装置 - Google Patents
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Description
そして、かかるガスエンジンにおいては、ガス燃料と空気とを混合する前記混合器を、過給機の下流の給気管に設置して該過給機にて加圧された空気中にガス燃料を噴出させて混合ガスを生成しエンジンの燃焼室に供給する過給機下流混合方式と、前記過給機の上流側でほぼ大気圧の空気とガス燃料とを混合器あるいは管内で直接混合してこの混合ガスを過給機に送り込み、該過給機において前記混合ガスを加圧してエンジンの燃焼室に供給する過給機上流混合方式がある。
また、前記過給機上流混合方式の他の技術に、特許文献2(特開平08−338294号公報)の技術がある。
即ち、かかる従来技術にあっては、過給機の下流側に混合ガス流量制御用のスロットル弁を配置しているため、該スロットル弁によるエンジンの給気つまり混合ガスの圧力損失が生じるとともに、前記過給機にサージングが発生し易い。
また、殊に組成の変動を伴うガス燃料を用いる場合には、所要のエンジン出力を得るためガス燃料の流量を変化させる一方で、ガス燃料の理論空気量も変化することから、空気と燃料の流量比を一定としても空気過剰率が変化してしまい、適正な空燃比制御ができなくなる。
このため、特許文献1等にて提供されている従来技術にあっては、組成変動を伴うガス燃料に対し、特許文献2等にて提供されているような空燃比補正手段を必要とするが、補正のアルゴリズムは非常に複雑である上、多くのパラメータに対する詳細な運転条件マトリクスを作成する必要があり、初期運転調整が非常に煩雑なものとなる。
前記ガス燃料に、炭鉱での石炭採掘時に回収される低発熱量で発熱量の変動が大きい炭鉱メタンガスが用いられ、前記発電機を一定回転数での運転時に使用ガス燃料の発熱量が変化した場合に、該変化後の燃料発熱量において前記エンジン回転数が一定となるように前記ガス量調整弁によって前記過給機の入口側に供給されるガス量を制御して、エンジンに供給されるガス燃料の発熱量の総量を使用ガス燃料の前記変化の前後で一定にするとともに、
エンジン回転数とエンジン負荷に対応して予め設定された基準給気圧力から前記一定回転数の運転条件に対応する基準給気圧力を抽出し、該抽出された基準給気圧力になるように給気圧力制御手段によってエンジンに供給される給気圧力を制御して、エンジンに供給される混合気を一定量にすることによって、
前記炭鉱メタンガス燃料のメタン濃度および発熱量の変化に対してエンジンに供給される混合気の空気過剰率を一定にするようにしたことを特徴とする。
前記ガス燃料に、炭鉱での石炭採掘時に回収される低発熱量で発熱量の変動が大きい炭鉱メタンガスが用いられ、前記エンジンのエンジン負荷あるいはエンジン回転数を含むエンジン運転条件を検出するエンジン運転条件検出手段と、前記給気通路における給気圧力を検出する給気圧力検出手段と、前記発電機を一定回転数での運転時に使用ガス燃料の発熱量が変化した場合に、該変化後の燃料発熱量において前記エンジン回転数が一定となるように前記ガス量調整弁の開度を制御するガス量調整弁制御手段、及びあらかじめエンジン回転数とエンジン負荷に対応して設定された基準給気圧力から前記一定回転数の運転条件に対応する基準給気圧力を抽出して、該基準給気圧力になるように給気圧力を制御する給気圧力制御手段を備えたコントローラとを有してなり、
前記コントローラは、使用メタンガス燃料のメタン濃度および発熱量の変化に対して、前記ガス量調整弁制御手段によってエンジンに供給されるガス燃料の発熱量の総量を使用ガス燃料の前記変化の前後で一定にするとともに、前記給気圧力制御手段によってエンジンに供給される混合気を一定量にすることで、前記炭鉱メタンガス燃料のメタン濃度および発熱量の変化に対してエンジンに供給される混合気の空気過剰率を一定にするように構成したことを特徴とする。
そしてかかる制御方法を実施する装置として、ガス供給路に発熱量(カロリー)が変化するガス燃料を通流せしめるとともに、前記コントローラは、一定回転数での運転時に使用ガス燃料の発熱量が変化した場合に、該変化後の燃料発熱量において前記エンジン回転数が一定となるように前記ガス量調整弁の開度を制御するガス量調整弁制御手段、及びあらかじめエンジン回転数とエンジン負荷に対応して設定された基準給気圧力から前記一定回転数の運転条件に対応する基準給気圧力を抽出して、該基準給気圧力になるように給気圧力を制御する給気圧力制御手段を備える。
また、かかる発明によれば、特許文献1のように、過給機下流側にスロットル弁を設けて該スロットル弁によって混合ガス流量制御を行うことは不要となり、該スロットル弁の設置に伴うエンジンの給気の圧力損失や過給機のサージングの発生を回避できる。
(1)給気圧力制御手段に、前記過給機の排気タービンをバイパスする排気バイパス通路を開閉する排気バイパス弁を用い、前記エンジン運転条件に対応して該排気バイパス弁の開度を変化させることにより、前記給気圧力をエンジン運転条件に対応する基準給気圧力に調整する。
(2)給気圧力制御手段に、前記給気通路を開閉するスロットル弁を用い、前記エンジン運転条件に対応して該スロットル弁の開度を変化させることにより、前記給気圧力をエンジン運転条件に対応する基準給気圧力に調整する。
(3)給気圧力制御手段に、前記給気通路をバイパスする給気バイパス通路を開閉する給気バイパス弁を用い、前記エンジン運転条件に対応して該給気バイパス弁の開度を変化させることにより、前記給気圧力をエンジン運転条件に対応する基準給気圧力に調整する。
特に炭鉱メタンガスのように燃料ガスに空気が含まれた状態で供給されるガスの場合、出力と空気過剰率が一定であれば、燃料ガス中の可燃分濃度の変動によらず混合気量は一定、すなわち給気圧力が一定であるので、本発明の効果が最もよく発揮される。
また、従来技術のように、過給機下流側にスロットル弁を設けて該スロットル弁によって混合ガス流量制御を行うことは不要となり、該スロットル弁の設置に伴うエンジンの給気の圧力損失や過給機のサージングの発生を回避できる。
9は排気バイパス管で、前記排気管8の排気タービン5a入口側から分岐されて該排気タービン5aをバイパスし、該排気タービン5a出口側の排気出口管16に接続されている。10は該排気バイパス管9の通路面積を変化せしめる排気バイパス弁で、後述するコントローラ13によって開度を制御される。
4は前記ガス供給管3に設けられて該ガス供給管3の通路面積を変化せしめるガス量調整弁で、後述するコントローラ13によって開度を制御される。
13はコントローラで、前記回転数検出器18から入力されるエンジン回転数の検出値、前記負荷検出器17から入力されるエンジン1あるいは発電機2の負荷の検出値、前記給気圧力センサ12から入力される給気圧力の検出値、及び前記給気温度センサ11から入力される給気温度の検出値に基づき、後述するような制御、演算を行い、その結果により前記ガス量調整弁4及び排気バイパス弁10の開度を制御するものである。尚、該コントローラ13は前記エンジンの回転制御を行うガバナー機能をそなえている。
そして、該エンジン1からの排気ガスは排気管8を通って過給機5の排気タービン5aに供給されて該排気タービン5aを駆動した後、排気出口管16を通って外部に排出される。
また、前記コントローラ13からの後述するような制御操作信号によって排気バイパス弁10が開かれると、前記排気管8内の排気ガスの一部は前記排気タービン5aをバイパスして排気出口管16に排出される。
先ず、図3は使用ガス燃料の発熱量(燃料ガスカロリー)とエンジン性能との関係を示す。図3において実線は本発明、破線は前記特許文献1のようなスロットル弁による混合ガス流量制御を行うものを示している。
図3において、燃料ガス(ガス燃料)カロリーとの関係で、(A)は燃料ガス量、(B)は理論空気量、(C)は給気圧力、(D)は空気過剰率、(E)は機関(エンジン)出力との関係をそれぞれ示す。
次に、図2において、前記回転数検出器18からのエンジン回転数の検出値及び前記負荷検出器17からのエンジン負荷(エンジン1あるいは発電機2の負荷)の検出値は、コントローラ13の負荷、回転数偏差算出部141を経てガス量調整弁開度算出部142に入力される。
ここで、かかる実施例においては、一定負荷あるいは一定回転数での運転時に使用燃料の発熱量(カロリー)が変化すると、これに伴いエンジン負荷あるいはエンジン回転数が変化することから、前記負荷、回転数偏差算出部141においてエンジン回転数の検出値及びエンジン負荷の検出値からエンジン負荷あるいはエンジン回転数の変化量を検出し、ガス量調整弁開度算出部142において、ガス量調整弁4の修正開度、即ち前記燃料発熱量変化後のガス量調整弁4の開度を算出し、前記ガス量調整弁4を前記修正開度に作動せしめる。
かかるガス量調整弁4の開度制御によって、前記燃料発熱量変化後の燃料ガスのガス流量を、エンジン回転数、エンジン負荷等のエンジン運転条件が当該燃料発熱量における所要のエンジン運転条件になるようなガス流量に制御することが可能となる。
133は給気圧力設定部で、エンジン回転数及びエンジン負荷に対応した所要の給気圧力即ち基準給気圧力がマトリックス状に設定されており、前記回転数検出器18からエンジン回転数の検出値が、前記負荷検出器17からエンジン負荷(エンジン1あるいは発電機2の負荷)の検出値がそれぞれ入力されると、該エンジン回転数及びエンジン負荷に対応する前記基準給気圧力を抽出して前記給気圧力偏差算出部134に入力する。
かかる排気バイパス弁10の開度制御によって、エンジン1の給気圧力はエンジン回転数及びエンジン負荷に対応した適正圧力に保持される。
即ち図3(C)のように、破線で示す従来技術においては燃料ガスカロリー(燃料発熱量)が大きくなるのに従い給気圧力が小さくなるのに対して、かかる実施例においては、図に実線で示されるように、燃料ガスカロリーの変化に対して給気圧力を一定に保持できる。
即ち、図3(D)に示されるように、破線で示す従来技術においては、ガス燃料と空気の流量比を一定とするため、ガス燃料の発熱量(燃料ガスカロリー)が大きくなるに従い空気過剰率は小さくなるが、かかる実施例においては、図に実線で示されるように、ガス燃料の発熱量(燃料ガスカロリー)変化に対して空気過剰率を一定にすることができる。
これにより、ガス燃料の発熱量(燃料ガスカロリー)が変化しても、該発熱量の変化に対応して空気過剰率を自動的に所要の空気過剰率付近に調整可能となって、図3(E)の実線に示されるように、エンジン出力(機関出力)を所要出力に保持でき、失火や異常燃焼の発生を見ることなく安定した性能で以ってエンジンを運転できる。
前記炭鉱メタンガスは、炭鉱での石炭採掘時にガス抜き等により回収されるメタンガスで、炭層内ではほぼ純メタンであるが、回収過程で空気が混入するため、メタンと空気の混合気体として回収される。そして、メタン濃度は30〜60%程度と低く、低位発熱量は概略3000〜6000cal/Nm3と、都市ガス等に比べて低い。さらに該炭鉱メタンガスにおけるガス中のメタン濃度は炭鉱地域、ガス回収方式、採炭状況等によって異なり、変動は非常に大きく従って発熱量の変動も大きい。このため、従来は、炭鉱メタンガスの大部分は大気放出され、該炭鉱メタンガスを燃料として利用するのは困難であった。
例えば、炭鉱メタンガスの場合、空気過剰率2.0の混合気ではメタンと空気の混合比は約1:20となり、混合気量は21(メタン=1)となる。この関係は燃料中のメタンと空気の比率が変化しても変わらない。
従って、本発明によれば、炭鉱メタンガスの利用により、未利用エネルギーを有効利用できるほか、メタンの温暖化係数は二酸化炭素の21倍と大きいため、かかる実施例によって、メタンガスの放出抑制による効果が大きくなり、メタンガスの大気放出による地球温暖化を抑制することができる。
第2の手段は、前記給気管7から吸入側に給気をバイパスする給気バイパス通路を設けるとともに該給気バイパス通路を開閉する給気バイパス弁を設けた公知の給気量調整システムにおいて、前記エンジン運転条件に対応して該給気バイパス弁の開度を変化させることにより、前記給気圧力をエンジン運転条件に対応する基準給気圧力に調整する。
2 発電機
3 ガス供給管
4 ガス量調整弁
5 過給機
5a 排気タービン
5b コンプレッサ
6 給気管
7 排気管
9 排気バイパス管
10 排気バイパス弁
11 給気温度センサ
12 給気圧力センサ
13 コントローラ
15 空気管
17 負荷検出器
18 回転数検出器
19 混合部
Claims (5)
- ガス量調整弁によりガス流量を調整されるガス燃料と空気とを過給機の入口側で混合し、この混合ガスを給気通路を通してエンジンの燃焼室に導入し着火燃焼するように構成され、発電機と連結されたエンジン出力軸の回転数が一定になるように制御される発電用のガスエンジンの燃焼制御方法において、
前記ガス燃料に、炭鉱での石炭採掘時に回収される低発熱量で発熱量の変動が大きい炭鉱メタンガスが用いられ、前記発電機を一定回転数での運転時に使用ガス燃料の発熱量が変化した場合に、該変化後の燃料発熱量において前記エンジン回転数が一定となるように前記ガス量調整弁によって前記過給機の入口側に供給されるガス量を制御して、エンジンに供給されるガス燃料の発熱量の総量を使用ガス燃料の前記変化の前後で一定にするとともに、
エンジン回転数とエンジン負荷に対応して予め設定された基準給気圧力から前記一定回転数の運転条件に対応する基準給気圧力を抽出し、該抽出された基準給気圧力になるように給気圧力制御手段によってエンジンに供給される給気圧力を制御して、エンジンに供給される混合気を一定量にすることによって、
前記炭鉱メタンガス燃料のメタン濃度および発熱量の変化に対してエンジンに供給される混合気の空気過剰率を一定にするようにしたことを特徴とするガスエンジンの燃焼制御方法。 - 前記給気圧力制御手段に、前記過給機の排気タービンをバイパスする排気バイパス通路を開閉する排気バイパス弁を用い、前記エンジン運転条件に対応して該排気バイパス弁の開度を変化させることにより、前記給気圧力を前記エンジン回転数が一定となる運転条件に対応する前記基準給気圧力に調整することを特徴とする請求項1記載のガスエンジンの燃焼制御方法。
- 前記給気圧力制御手段に、前記給気通路を開閉するスロットル弁を用い、前記エンジン運転条件に対応して該スロットル弁の開度を変化させることにより、前記給気圧力を前記エンジン回転数が一定となる運転条件に対応する前記基準給気圧力に調整することを特徴とする請求項1記載のガスエンジンの燃焼制御方法。
- 前記給気圧力制御手段に、前記給気通路をバイパスする給気バイパス通路を開閉する給気バイパス弁を用い、前記エンジン運転条件に対応して該給気バイパス弁の開度を変化させることにより、前記給気圧力を前記エンジン回転数が一定となる運転条件に対応する前記基準給気圧力に調整することを特徴とする請求項1記載のガスエンジンの燃焼制御方法。
- ガス量調整弁によりガス流量を調整されてガス供給路を通流するガス燃料と空気供給路を通流する空気とを過給機の入口側に設置された混合手段で混合し、この混合ガスを給気通路を通してエンジンの燃焼室に導入し着火燃焼するように構成され、発電機と連結されたエンジン出力軸の回転数が一定になるように制御される発電用のガスエンジンの燃焼制御装置において、
前記ガス燃料に、炭鉱での石炭採掘時に回収される低発熱量で発熱量の変動が大きい炭鉱メタンガスが用いられ、前記エンジンのエンジン負荷あるいはエンジン回転数を含むエンジン運転条件を検出するエンジン運転条件検出手段と、前記給気通路における給気圧力を検出する給気圧力検出手段と、前記発電機を一定回転数での運転時に使用ガス燃料の発熱量が変化した場合に、該変化後の燃料発熱量において前記エンジン回転数が一定となるように前記ガス量調整弁の開度を制御するガス量調整弁制御手段、及びあらかじめエンジン回転数とエンジン負荷に対応して設定された基準給気圧力から前記一定回転数の運転条件に対応する基準給気圧力を抽出して、該基準給気圧力になるように給気圧力を制御する給気圧力制御手段を備えたコントローラとを有してなり、
前記コントローラは、使用メタンガス燃料のメタン濃度および発熱量の変化に対して、前記ガス量調整弁制御手段によってエンジンに供給されるガス燃料の発熱量の総量を使用ガス燃料の前記変化の前後で一定にするとともに、前記給気圧力制御手段によってエンジンに供給される混合気を一定量にすることで、前記炭鉱メタンガス燃料のメタン濃度および発熱量の変化に対してエンジンに供給される混合気の空気過剰率を一定にするように構成したことを特徴とするガスエンジンの燃焼制御装置。
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