WO2014054081A1 - ガスエンジン用の燃焼安定化装置 - Google Patents

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WO2014054081A1
WO2014054081A1 PCT/JP2012/006427 JP2012006427W WO2014054081A1 WO 2014054081 A1 WO2014054081 A1 WO 2014054081A1 JP 2012006427 W JP2012006427 W JP 2012006427W WO 2014054081 A1 WO2014054081 A1 WO 2014054081A1
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methane number
supply
air
gas
combustion
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PCT/JP2012/006427
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昭宏 竹内
木塚　智昭
洋輔 野中
峻太郎 海野
洋平 中島
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川崎重工業株式会社
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Publication date
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D19/00—Controlling engines characterised by their use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures
    • F02D19/02—Controlling engines characterised by their use of non-liquid fuels, pluralities of fuels, or non-fuel substances added to the combustible mixtures peculiar to engines working with gaseous fuels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/30—Use of alternative fuels, e.g. biofuels

Definitions

  • the present invention relates to a combustion stabilization device applied to a gas engine that operates with a lean air-fuel ratio or air excess ratio of an air-fuel mixture, and in particular, combustion stabilization that stabilizes the combustion state regardless of the nature of the gas fuel. Relates to the device.
  • the gas engine is an internal combustion engine that uses gas fuel as the main fuel. It can reduce nitrogen oxides in exhaust gas compared to a diesel engine and has a low CO2 emission. For example, the expectation for the power generation system which drives a generator with a gas engine is increasing. In recent years, a movement to apply a gas engine to a power generation system in an industrial plant, both domestically and abroad, and a movement to apply a gas engine to a marine propulsion and power generation system have become active.
  • the combustion chamber has a main chamber and a sub-chamber communicating with the main chamber, and a communication hole is provided in a partition wall that divides the main chamber from the sub-chamber. .
  • the sub chamber type gas engine first, the air-fuel mixture in the sub chamber is ignited. Then, the combustion gas in the sub chamber is ejected from the sub chamber to the main chamber through the communication hole, and the ejected torch becomes a fire type to ignite the air-fuel mixture in the main chamber. Since the ignition power of the torch that is injected from the sub chamber is strong, misfiring is unlikely to occur even if the excess air ratio in the main chamber is increased, and higher efficiency and lower NOx can be achieved.
  • the mainstream of gas engines in recent years is the lean burn type.
  • Combustion control is particularly important to achieve high efficiency in lean burn gas engines.
  • it is effective to advance the ignition timing and make the combustion state lastly whether knocking will occur.
  • it is possible to improve the thermal efficiency by increasing the excess air ratio.
  • the lean burn type gas engine adjusts the excess air ratio and ignition timing to execute combustion control so that the excess air ratio is stably within a narrow range surrounded by the knocking limit and misfire limit. Therefore, it is required to achieve both stabilization of the combustion state and realization of high efficiency.
  • gas fuel is replenished at a docked port.
  • nature of gas fuel varies from country to country and from gas supplier to gas supplier. Even the properties of gas fuel supplied from the same gas supplier in the same country may vary over time.
  • Patent Document 1 discloses a sub-chamber gas engine that changes the amount of addition of an ignition accelerator or ignition inhibitor, the compression ratio of a cylinder, the discharge voltage of a spark plug, the amount of gas fuel supplied, etc. when the properties of the gas fuel change. It discloses, and it is going to stabilize a combustion state by performing such control.
  • an object of the present invention is to stabilize the combustion state in a gas engine in response to fluctuations in the properties of gas fuel.
  • the present inventor is a factor that affects the ignitability among the properties of gas fuel, and therefore affects the combustion state. It was found that this is a factor that affects Therefore, it was conceived that when the properties of the gas fuel fluctuate, the combustion state fluctuates with fluctuations in ignitability even if the conditions for combustion control are the same.
  • the present inventor has found that the pressure and temperature of the supply air supplied to the cylinder are also factors that affect the combustion state.
  • the ignition pressure associated with the fluctuation of the methane number can be changed by intentionally changing the pressure and temperature of the supply air, which is a factor that affects the combustion state as well as the methane number.
  • the idea is that the fluctuation of the combustion state can be offset or reduced to suppress the fluctuation of the combustion state.
  • the combustion stabilization device is a combustion stabilization device applied to a gas engine, and adjusts the pressure or temperature of a methane number detection unit that detects the methane number of gas fuel and the supply air.
  • an air supply control unit that controls the air supply adjustment unit, wherein the air supply control unit supplies air pressure according to the methane number of the gas fuel detected by the methane number detection unit.
  • a correction amount of the supply air temperature is set, and the supply air adjustment unit is controlled to correct the supply air pressure or the supply air temperature by the set correction amount.
  • the ignitability of the air-fuel mixture is affected. Even if the methane number varies and the ignitability may vary, the correction of the supply air pressure or the supply temperature This makes it possible to offset or mitigate this fluctuation. Therefore, the combustion state can be maintained before and after the change of the methane number.
  • the air supply control unit corrects the air supply pressure to increase or the air supply temperature decreases, and when the gas fuel methane number increases, the air supply control unit You may correct
  • the change in ignitability associated with the change in methane number can be effectively offset or reduced by correcting the supply air pressure or the supply air temperature.
  • the supply air pressure is increased or the supply air temperature is decreased, the charging efficiency of the supply air can be improved and the fuel concentration of the mixture can be reduced. Therefore, even if knocking is likely to occur due to fluctuations in the properties of the gas fuel, this can be suppressed.
  • An ignition device that ignites the air-fuel mixture; and an ignition control unit that controls the ignition device.
  • the ignition control unit corrects the ignition timing to retard
  • the ignition control unit may correct the ignition timing to advance.
  • the combustion pressure can be varied by correcting the ignition timing, thereby suppressing the occurrence of knocking and improving efficiency. Can be increased.
  • the supply air control unit corrects the supply air pressure or the supply air temperature when the current value of the methane number detected by the methane number detection unit fluctuates beyond a first allowable value with respect to the past value, When the current value of the methane number detected by the methane number detection unit fluctuates beyond a second allowable value that is larger than the first allowable value with respect to the past value, the ignition control unit May be corrected.
  • the supply air pressure or the supply pressure by the air supply control unit The temperature is corrected.
  • the fluctuation range is small as described above, the combustion state can be stabilized by adjusting the supply air.
  • the correction of the supply air pressure or the supply air temperature by the supply air control unit and the correction of the ignition timing by the ignition control unit are performed. .
  • the fluctuation range is large as described above, not only the supply air but also the ignition timing is adjusted. Therefore, even if there is a possibility that the combustion state may fluctuate greatly due to property fluctuations, fluctuations in the combustion state can be suppressed.
  • the first allowable value is a concept including zero.
  • the gas engine includes a combustion chamber having a main chamber and a sub chamber communicating with the main chamber, the excess air ratio in the sub chamber is kept near stoichiometry, and the excess air ratio in the main chamber is kept lean. Also good.
  • emphasis can be placed on improving the ignitability of the air-fuel mixture in the sub chamber, and emphasis can be placed on improving efficiency in the main chamber. For this reason, in the sub-chamber type gas engine, in performing the combustion control for correcting the supply air pressure and the supply air temperature in response to the property fluctuation, it is possible to achieve both stabilization of the combustion state and improvement of efficiency. it can.
  • the methane number detection unit may include a methane number sensor that detects the methane number of the gas fuel supplied to the cylinder.
  • the methane number detection unit detects the calorific value of the gas fuel supplied to the cylinder, the gas chromatography detects the composition of the gas fuel supplied to the cylinder, and the oxygen concentration of the combustion exhaust gas discharged from the cylinder At least one of the oxygen concentration sensors that detect methane, and a methane number calculating unit that calculates the methane number based on the one detected value.
  • the combustion state in the gas engine, the combustion state can be stabilized in response to fluctuations in the properties of the gas fuel.
  • FIG. 4 is a graph schematically showing the air pressure map shown in FIG. 3 in a two-dimensional orthogonal coordinate system. It is a graph which shows typically the air temperature map shown in FIG. 3 within a two-dimensional orthogonal coordinate system. It is a graph which shows typically the ignition timing map shown in FIG. 3 within a two-dimensional orthogonal coordinate system.
  • FIG. 8 is a graph schematically showing the methane number map shown in FIG. 7 in a two-dimensional orthogonal coordinate system.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram showing an overall configuration of a gas engine 1 according to an embodiment of the present invention.
  • the gas engine 1 shown in FIG. 1 is a four-stroke reciprocating engine that uses gas fuel, adopts “sub-chamber spark ignition” as the combustion chamber structure and combustion method, and uses the air-fuel ratio or air of the mixture. It is a lean burn gas engine that operates with the excess rate kept lean.
  • the gas engine 1 burns an air-fuel mixture containing gas fuel and generates a rotational output at the output shaft 2. As shown in FIG. 1, the output shaft 2 is connected to, for example, an AC generator 3.
  • a power generation system in which the gas engine 1 is applied as a drive source for the AC generator 3 may be introduced into an industrial plant or mounted on a ship.
  • the output shaft 2 may be replaced with the AC generator 3 and connected to the propulsion device of the ship.
  • the gas engine 1 includes an engine body 5 having a plurality of cylinders 4.
  • the number and arrangement of the cylinders 4 are not particularly limited.
  • the gas engine 1 includes an air supply line 6 that supplies air to each cylinder 4, an exhaust line 7 that exhausts exhaust from each cylinder 4, and a supercharger connected to the air supply line 6 and the exhaust line 7 ( Turbocharger) 8 is provided.
  • the air supply line 6 includes a common portion 11 common to the plurality of cylinders 4 and a plurality of branch portions 12 (see FIG. 2) that connect the common portion 11 to the corresponding cylinders.
  • the exhaust line 7 also includes a common portion 16 common to the plurality of cylinders 4 and a plurality of branch portions 17 that connect the corresponding cylinders 4 to the common portion 16.
  • a downstream end portion of the branching portion 12 of the air supply line 6 is an air supply port 12a formed in the engine body 5 and communicates with the combustion chamber 32 (specifically, the main chamber 33) of the corresponding cylinder 4 ( (See FIG. 2).
  • the upstream end portion of the branch portion 17 of the exhaust line 7 is an exhaust port 17a formed in the engine body 5 and communicates with the corresponding combustion chamber 32 (specifically, the main chamber 33) of the cylinder 4 (FIG. 2). See).
  • the supercharger 8 has a turbine 9 on the common part 16 of the exhaust line 7 and a compressor 10 on the common part 11 of the air supply line 6. The supercharger 8 is driven by the exhaust gas flowing through the exhaust line 7 and supercharges the air flowing through the air supply line 6.
  • the gas engine 1 is provided with a fuel line 20 that supplies gas fuel to each cylinder 4.
  • the fuel line 20 extends from a fuel supply source (not shown), branches from the common part 21 common to the plurality of cylinders 4, and the common part 21, and guides gas fuel from the common part 21 to the corresponding cylinder 4.
  • Each cylinder 4 is provided with a main chamber fuel supply device 26, a sub chamber fuel supply device 27, and an ignition device 28.
  • the main branch for guiding the gas fuel from the common portion 21 to the main chamber fuel supply device 26 is provided in the branch portion 22 of the fuel line 20.
  • Part 23 and a sub-branch part 24 for guiding the gas fuel from the common part 21 to the sub-chamber fuel supply device 27.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram showing the configuration of the combustion stabilizing device 100 according to the embodiment of the present invention together with the configuration of the cylinder 4 of the gas engine 1 shown in FIG. Although FIG. 2 shows the configuration of only one cylinder 4, the other cylinders 4 have the same configuration. As shown in FIG. 2, a piston 31 is inserted into each cylinder 4 so as to be reciprocally movable. The piston 31 is connected to the output shaft 2 via a connecting rod (not shown).
  • each cylinder 4 is provided with a combustion chamber 32 for burning the air-fuel mixture.
  • the combustion chamber 32 includes a main chamber 33 formed on the upper surface side of the piston 31 and a sub chamber 34 communicating with the main chamber 33.
  • the sub chamber 34 is partitioned from the main chamber 33 via a partition wall 35 provided in the upper portion of the main chamber 33, and spatially communicates with the main chamber 33 via a communication hole 36 formed in the partition wall 35. Yes.
  • the engine body 5 has the above-described air supply port 12a and exhaust port 17a.
  • the air supply port 12a constitutes the branch portion 12 of the air supply line 6 and communicates with the main chamber 33 at the downstream end thereof.
  • the exhaust port 17a constitutes the branch portion 17 of the exhaust line 7, and communicates with the main chamber 33 at the upstream end portion thereof.
  • Each cylinder 4 is provided with an air supply valve 37 and an exhaust valve 38.
  • the air supply valve 37 opens and closes the downstream end of the air supply port 12a
  • the exhaust valve 38 opens and closes the upstream end of the exhaust port 17a.
  • the main chamber fuel supply device 26 is provided on the main branch portion 23 of the fuel line 20 or provided at the end of the main branch portion 23, and supplies gas fuel to the branch portion 12 of the supply line 6.
  • the main chamber fuel supply device 26 according to the present embodiment is attached to the engine body 5 and supplies gas fuel to the air supply port 12a.
  • the sub chamber fuel supply device 27 is provided on the sub branch portion 24 of the fuel line 20 or provided at the end of the sub branch portion 24 and supplies gas fuel into the sub chamber 34.
  • each cylinder 4 is provided with a sub-chamber forming member 39 that has the above-described partition wall 35 and forms the sub-chamber 34, and the sub-chamber forming member 39 has the partition wall 35 in the sub-chamber forming member 39. It extends along the cylinder axis so as to form the lower end of the cylinder.
  • the sub branching portion 24 of the fuel line 20 extends into the sub chamber forming member 39 above the sub chamber forming member 39 and opens on the inner upper surface of the sub chamber 34.
  • the sub chamber fuel supply device 27 is disposed outside the sub chamber forming member 39 and is interposed on the sub branching portion 24 of the fuel line 20.
  • the main chamber fuel supply device 26 and the sub chamber fuel supply device 27 are normally closed electromagnetic on-off valves, for example, and open during a period when a valve opening command is given.
  • Gas fuel is supplied to the air supply port 12a while the main chamber fuel supply device 26 is open.
  • the gas fuel is supplied to the sub chamber 34 while the sub chamber fuel supply device 27 is open.
  • the ignition device 28 is attached to a sub chamber forming member 39, and a portion for generating a spark is disposed in the sub chamber 34.
  • the ignition device 28 is, for example, an ignition plug having an electrode that generates a spark when energized.
  • the air supply valve 37 opens the air supply port 12a, and the main chamber fuel supply device 26 supplies gas fuel to the air supply port 12a.
  • the air-fuel mixture of the air supply from the supercharger 8 and the gas fuel from the main chamber fuel supply device 26 is supplied from the air supply port 12a to the main chamber 33.
  • the compression stroke in which the piston 31 moves upward the air-fuel mixture is compressed in the main chamber 33.
  • the compressed air-fuel mixture in the main chamber 33 is supplied into the sub chamber 34 through the communication hole 36.
  • the sub chamber fuel supply device 27 injects gas fuel into the sub chamber 34 in the air supply stroke or the compression stroke. As a result, the excess air ratio of the air-fuel mixture in the sub chamber 34 becomes smaller than the excess air ratio of the air-fuel mixture in the main chamber 33.
  • the ignition device 28 operates in the vicinity of the timing when the compression stroke ends, and a spark is generated in the sub chamber 34.
  • a spark is generated in the sub chamber 34.
  • the flame in the sub chamber 34 is ejected into the main chamber 33 through the communication hole 36, and the ejected torch ignites the air-fuel mixture in the main chamber 33, and the flame propagates in the main chamber 33. .
  • the exhaust valve 38 opens the exhaust port 17 a and the gas in the main chamber 33 and the sub chamber 34 is discharged to the exhaust line 7.
  • Exhaust gas flowing through the exhaust line 7 is supplied to the turbine 9 of the supercharger 8 and discharged from the turbine 9 to the outside air.
  • a bypass line 18 that bypasses the turbine 9 is connected to the common portion 16 of the exhaust line 7, and a bypass valve 19 having a variable opening degree is provided on the bypass line 15.
  • a return valve 14 and a variable nozzle 9a are applied to the gas engine 1 according to the present embodiment as a device for adjusting the supply air pressure.
  • a return line 13 connecting the downstream of the compressor 10 to the upstream of the compressor 10 is connected to the common portion 11 of the air supply line 6, and the return valve 14 is provided on the return line 13 so as to have a variable opening. ing.
  • the variable nozzle 9 a is provided in the turbine 9 of the supercharger 8. The opening area of the turbine blade changes according to the operation of the variable nozzle 9a.
  • the inlet pressure of the turbine 9 can be adjusted by controlling the variable nozzle 9a, and the supply air pressure can be adjusted by adjusting the rotational speed of the turbine.
  • the variable nozzle may be provided on the compressor side, and the supply air pressure may be adjusted by adjusting the inlet pressure of the compressor.
  • the gas engine 1 is provided with a cooling water line 40 through which cooling water for cooling the supply air flows.
  • the cooling water circulates along the cooling water line 40 forming a closed loop.
  • the gas engine 1 can take cooling water having a lower temperature than the outside and can exchange the cooling water after heat exchange with the supply air.
  • the cooling water line 40 does not need to form a closed loop as long as the cooling water line 40 is placed in an environment capable of draining outside.
  • the cooling water line 40 is provided with a radiator 41, a cooling water pump 42, an intercooler 43, and a cooling water valve 44.
  • the radiator 41 cools the cooling water.
  • the cooling water pump 42 pumps the cooling water cooled by the radiator 42 to the intercooler 43.
  • the intercooler 43 causes the supplied cooling water to exchange heat with the supply air, thereby cooling the supply air.
  • the intercooler 43 is located downstream of the compressor 10 in the common portion 11 of the air supply line 6 (when the return valve 14 is provided, the intercooler 43 is located on the cylinder 4 side from the branch point with the return line 13).
  • the air supply is cooled by the intercooler 43 before being supplied to each cylinder 4.
  • the cooling water exchanged with the supply air is sent to the radiator 41 where it is cooled.
  • the cooling water valve 44 is provided in a portion of the cooling water line 40 that is variable in opening degree from the radiator 41 to the intercooler 43. By adjusting the opening degree of the cooling water valve 44, the flow rate of the cooling water flowing through the intercooler 43 can be adjusted, whereby the supply air temperature can be adjusted.
  • the air supply temperature can be adjusted by controlling the radiator 41 and the cooling water pump 42 in addition to the cooling water valve 44. By controlling the fan or blower attached to the radiator 41, the cooling performance in the radiator 41 may be adjusted, and thereby the air supply temperature may be adjusted. Further, the flow rate of the cooling water sent to the intercooler 43 may be adjusted by changing the capacity or the like of the cooling water pump 42, thereby adjusting the air supply temperature.
  • the gas engine 1 includes the bypass valve 19, the return valve 14, the variable nozzle 9 a, the cooling water valve 44, the radiator 41, and the cooling water pump 42 as a device for adjusting the supply air pressure or the supply air temperature.
  • the former three are collectively referred to as a “supply pressure adjustment unit 71” for adjusting the supply air pressure
  • the latter three are collectively referred to as a “supply temperature adjustment unit 72” for adjusting the supply air temperature.
  • the air supply pressure adjusting unit 71 and the air supply pressure adjusting unit 72 may be collectively referred to as “air supply adjusting unit 70” for adjusting the air supply pressure or the air supply temperature.
  • the gas engine 1 does not have to include all of the bypass valve 19, the return valve 14, and the variable nozzle 9 a as the supply air pressure adjusting unit 71, and may include at least one of them.
  • combustion stabilizing device 100 As shown in FIG. 2, a combustion stabilizing device 100 is applied to the gas engine 1, and the combustion stabilizing device 100 stabilizes the combustion state in response to fluctuations in the properties of the gas fuel. Execute the intended combustion control.
  • the combustion stabilizing device 100 includes the main chamber fuel supply device 26, the sub chamber fuel supply device 27, the ignition device 28, and the air supply adjustment unit 70 (bypass valve 19, return valve 14, variable nozzle 9a, cooling water valve 44, A radiator 41 and a cooling water pump 42) are provided. Further, the combustion stabilization apparatus 100 includes a supply air pressure sensor 51, a supply air temperature sensor 52, a cooling water temperature sensor 53, a methane number sensor 54, and a controller 60.
  • the combustion stabilization apparatus 100 may include a calorimeter 55, an oxygen concentration sensor 56, and / or a gas chromatography (not shown) instead of or in addition to the methane number sensor 54.
  • the controller 60 includes a CPU, a ROM, a RAM, and an input / output interface.
  • the input side of the controller 60 is connected to the air pressure sensor 51, the air temperature sensor 52, the cooling water temperature sensor 53, and the methane number sensor 54.
  • the controller 60 is connected to a calorimeter 55, an oxygen concentration sensor 56 and / or a gas chromatography (not shown) instead of or together with the methane number sensor 54.
  • the output side of the controller 60 is connected to the main chamber fuel supply device 26, the sub chamber fuel supply device 27, the ignition device 28, and the air supply adjustment unit 70.
  • the air pressure sensor 51 and the air temperature sensor 52 are provided on the downstream side of the supercharger 8 in the air supply line 6, and the air pressure sensor 51 is supplied from the supercharger 8 to the cylinder 4.
  • the air pressure sensor 52 detects the temperature of the supply air.
  • the cooling water temperature sensor 53 is provided in the cooling water line 40, and FIG. 2 illustrates a case where the cooling water temperature sensor 53 is provided in a portion from the radiator 41 to the intercooler 43.
  • the methane number is a factor that affects the ignitability of the air-fuel mixture. For this reason, if the property of the gas fuel from the fuel supply source fluctuates and the methane number fluctuates accordingly, the combustion state may change and abnormal combustion may occur.
  • the supply air pressure and the supply air temperature are also factors that affect the combustion rate. Therefore, the controller 60 corrects the supply air pressure and the supply air temperature according to the methane number of the gas fuel. As a result, fluctuations in ignitability caused by fluctuations in properties are offset or mitigated by changes in combustion speed accompanying correction of the supply air pressure and / or supply air temperature. Furthermore, the controller 60 corrects the ignition timing in accordance with the methane number of the gas fuel, thereby mitigating fluctuations in ignitability caused by fluctuations in properties with changes in combustion pressure accompanying correction of the ignition timing.
  • the air pressure sensor 51, the air temperature sensor 52, and the cooling water temperature sensor 53 are used for feedback control of the air pressure and the air temperature.
  • these sensors 51 to 53 can be omitted as appropriate.
  • the methane number sensor 54, the calorimeter 55, the oxygen concentration sensor 56, and the gas chromatography are sensors that are used for the controller 60 to execute control according to the methane number of the gas fuel.
  • the methane number sensor 54 detects the methane number itself.
  • the calorimeter 55, the oxygen concentration sensor 56, and the gas chromatography detect an index useful for calculating or estimating the methane number.
  • the combustion stabilization apparatus 100 includes at least one of these four types of sensors, and controls the supply air pressure and / or the supply air temperature using at least one of the detection values of these four types of sensors. It is only necessary to be configured to execute.
  • the combustion stabilizing device 100 controls the supply air pressure and / or the supply air temperature using only the detection value from the methane number sensor 54 is illustrated.
  • the calorimeter 55 and the oxygen concentration sensor 56 may be omitted from the combustion stabilizing device 100 shown in FIG.
  • the methane number sensor 54 is provided in the fuel line 20 and detects the methane number of the gas fuel supplied from the fuel supply source (not shown) to the cylinder 4.
  • the methane number sensor 54 is a sensor that directly detects the methane number
  • the methane number sensor 54 can constitute a methane number detection unit that detects the methane number alone. Therefore, the controller 60 according to the present embodiment can correct the supply air pressure and / or the supply air temperature with reference to the detection value of the methane number sensor 54, and can correct the ignition timing.
  • FIG. 3 is a block diagram illustrating a configuration of the controller 60 according to the first embodiment.
  • the controller 60 includes an air supply control unit 62 and an ignition control unit 63 as functional blocks for executing combustion control corresponding to fluctuations in the properties of gas fuel.
  • the supply air control unit 62 includes a supply air pressure control unit 64 that controls the supply air pressure and a supply air temperature control unit 65 that controls the supply air temperature.
  • the methane number sensor 54 functions as a methane number detection unit that detects the methane number alone.
  • the supply air pressure control unit 64 sets a correction amount of the supply air pressure according to the methane number detected by the methane number sensor 54, and controls the supply air pressure adjustment unit 71 so that the supply air pressure is corrected by the set correction amount.
  • the supply air temperature control unit 65 sets a correction amount for the supply air temperature according to the methane number detected by the methane number sensor 54, and controls the supply air temperature adjustment unit 72 so that the supply air temperature is corrected by the set correction amount.
  • the ignition control unit 63 sets the correction amount of the ignition timing according to the methane number detected by the methane number sensor 54, and controls the ignition device 28 so that the ignition timing is corrected by the set correction amount.
  • the controller 60 determined the correspondence relationship between the methane number and the supply air temperature correction amount, the supply pressure map 67 defining the correspondence relationship between the methane number and the supply pressure correction amount.
  • An air temperature map 68 and an ignition timing map 69 that defines the correspondence between the methane number and the ignition timing correction amount are stored in advance.
  • the air pressure control unit 64 refers to the air pressure map 67 and sets the correction amount of the air pressure according to the methane number.
  • the air temperature control unit 65 refers to the air temperature map 68 and sets the correction amount of the air temperature according to the methane number.
  • the ignition control unit 63 refers to the ignition timing map 69 and sets an ignition timing correction amount according to the methane number. Note that there is no particular limitation as to which device constituting the supply pressure adjustment unit 71 is controlled by the supply pressure control unit 64. The same applies to the relationship between the air temperature control unit 65 and the air temperature adjustment unit 72.
  • the supply pressure is corrected to increase when the methane number decreases, and the supply pressure is corrected to decrease when the methane number increases.
  • the supply air temperature map 68 according to this embodiment, the supply air temperature is corrected to decrease when the methane number decreases, and the supply air temperature is corrected to increase when the methane number increases.
  • the ignition timing map 69 according to the present embodiment, the ignition timing is corrected to be retarded when the methane number decreases, and the ignition timing is advanced to increase when the methane number increases. Is done.
  • FIGS. 4A and 4C show a case where the supply air pressure changes linearly according to the change in methane number, but this is merely an example, and the supply air pressure may change so as to draw a convex curve upward. , It may change so as to draw a downward convex curve, it may change in a staircase shape, or these may be combined. The same applies to FIGS. 4B and 4C.
  • FIG. 5 is a flowchart showing the processing contents of the combustion control executed by the controller 60 according to the first embodiment.
  • 6A to 6C are flowcharts respectively showing the processing contents of the combustion stabilization processing shown in FIG.
  • the process shown in FIG. 5 only needs to be performed every time period sufficient to achieve the purpose of dealing with the geographical or temporal variation in the properties of the gas fuel while the gas engine 1 is operating.
  • the flow shown in FIG. Further, it may be executed when the gas engine 1 is started, such as after performing regular maintenance.
  • the methane number detection unit detects the methane number (step S100).
  • a process for correcting the combustion state in the gas engine 1 by correcting the supply air temperature and the supply air pressure in accordance with the detected methane number and further correcting the ignition timing (hereinafter referred to as “combustion stabilization”). Process ”) (step S200 (S200A to C)).
  • FIG. 6A shows a combustion stabilization process (S200A) executed by the supply air pressure control unit 64, and is intended to stabilize the combustion state by correcting the supply air pressure.
  • FIG. 6B shows the combustion stabilization process (S200B) executed by the air temperature control unit 65, and attempts to stabilize the combustion state by correcting the air temperature.
  • FIG. 6C shows a combustion stabilization process (S200C) executed by the ignition control unit 63, and is intended to further stabilize the combustion state by correcting the ignition timing.
  • the combustion stabilization process (S200A, S200B) by the air supply control unit 62 is preferentially selected, and the combustion stabilization by the ignition control unit 63 is performed.
  • the process (S200C) is performed incidentally to the process by the air supply control unit 62.
  • the combustion stabilization process (S200A) by the supply air pressure control unit 64 and the combustion stabilization process (S200B) by the supply air temperature control unit 65 at least one of these two processes (S200A, S200B) is executed. While the gas engine 1 is operating (S300: No), it is executed again at the timing when the processing from step S100 is required, and when the operation of the gas engine 1 is completed (S300: Yes), this series of processing. Ends.
  • the supply air pressure control unit 64 air supply control unit 62
  • a methane number detection unit in this embodiment.
  • the method for determining whether or not the methane number has changed is not particularly limited.
  • the methane number acquired in step S100 during the process being executed this time (hereinafter referred to as “(current value of methane number)” for the sake of explanation) It is compared with the methane number acquired in S100 (hereinafter referred to as “the past value of (methane number)” for convenience of explanation). Then, when the current value of the methane number fluctuates beyond the allowable value (hereinafter referred to as “first allowable value” for convenience of explanation) with reference to the past value (that is, the current value of the methane number) When the difference between the current value and the past value exceeds the first allowable value), the air pressure control unit 64 (air supply control unit 62) may determine that the methane number has changed.
  • the air pressure control unit 64 determines that the methane number has not changed. May be. If the present value of the methane number is different from the past value without considering such an allowable value, it may be determined that the methane number has changed. That is, the first tolerance value may be zero.
  • the supply air pressure control unit 64 does not correct the supply air pressure according to the methane number (step S212). If the supply air pressure is not corrected in this way, the amount of air supplied to the main chamber 33 does not fluctuate. Therefore, as long as the valve opening period of the main chamber fuel supply device 22 is not changed, the air-fuel mixture in the main chamber 33 The air-fuel ratio and fuel concentration do not vary. Note that, in a situation where it is determined that there is no change in the methane number, the change in the theoretical air amount determined according to the composition of the gas fuel is small, and therefore the excess air ratio in the main chamber 33 hardly changes.
  • the combustion state in the main chamber 33 does not change before and after the execution of the current process.
  • the combustion state can be maintained stably, so if there is no change in the methane number, the stable combustion state before the current processing is Can be maintained even after execution.
  • the supply air pressure control unit 64 controls the supply air pressure adjustment unit 71 so as to correct the increase in supply air pressure (step S213).
  • the air pressure control unit 64 refers to the air pressure map 67 as described above, calculates a correction amount of the air pressure according to the current value of the methane number, and based on the correction amount, the air pressure adjustment unit 71. Find the operation command value for. At this time, the operation command value may be controlled while referring to the detection value of the air pressure sensor 51.
  • the composition of the gas fuel changes so as to contain more heavy hydrocarbons, which makes the air-fuel mixture easier to ignite and increases the combustion rate. For this reason, the knocking limit is lowered and knocking is likely to occur.
  • the supply air pressure rises, the charging efficiency of the supply air is improved and the amount of air supplied to the cylinder 4 is increased. For this reason, as long as the fuel amount supplied from the main chamber fuel supply device 22 does not change, the air-fuel ratio and the excess air ratio of the cylinder 4 increase. If the methane number fluctuates, the theoretical air amount also fluctuates slightly.
  • the fuel concentration in the cylinder 4 can be lowered, it is possible to increase the excess air ratio and shift the air-fuel mixture to the lean side. If the air-fuel mixture is shifted to the lean side, the knocking limit can be increased, so that the decrease in the knocking limit accompanying the decrease in the methane number can be offset or alleviated. Further, when the air-fuel mixture shifts to the lean side, the combustion is slowed down and the combustion speed can be reduced. As a result, an increase in the combustion rate accompanying a decrease in the methane number can be offset or mitigated. Therefore, it is possible to avoid abnormal combustion that may occur with a decrease in methane number, and to maintain the combustion state in a stable state before and after the change in properties.
  • the supply pressure control unit 64 refers to the supply pressure map 67 in accordance with the current value of the methane number as in the case of the decrease in methane number. Then, the supply air pressure adjusting unit 71 is controlled so that the supply air pressure is corrected to decrease (step S214).
  • the reverse effect is obtained when the methane number is lowered, and as a result, the abnormal combustion that may occur with the increase of the methane number is avoided, and the combustion state is kept stable before and after the change of properties. It becomes possible.
  • the supply air pressure control unit 64 may control any of the devices (for example, the bypass valve 19, the return valve 14, and the variable nozzle 9 a) included in the supply air pressure adjustment unit 71 when correcting the supply air pressure. These devices may be controlled simultaneously. In order to increase the supply air pressure, typically, the opening of the bypass valve 19 is reduced, the opening of the return valve 14 is reduced, and the variable nozzle 9a is throttled. When trying to lower the supply air pressure, the reverse is true. However, in the case of controlling two or more devices at the same time, as the result of the operation of these two or more devices, the supply air pressure only needs to be increased or decreased as desired, so any one of the two or more devices is You may operate contrary to this typical mode of operation.
  • the devices for example, the bypass valve 19, the return valve 14, and the variable nozzle 9 a
  • step S231 when the combustion stabilization process (S200B) by the air temperature control unit 65 is executed, first, the air temperature control unit 65 (air supply control unit 62) is detected by the methane number detection unit. It is determined whether the methane number has changed (step S221).
  • the air temperature control unit 65 does not correct the air temperature according to the methane number (step S222).
  • the air supply temperature control unit 65 controls the air supply temperature adjustment unit 72 so as to correct the decrease in the supply air temperature (step S223).
  • the supply air temperature control unit 65 refers to the supply air temperature map 68 as described above, and calculates the correction amount of the supply air temperature according to the current value of the methane number. Then, the air temperature control unit 65 obtains an operation command value to the air temperature adjustment unit 72 based on the calculated correction amount. At this time, the operation command value may be controlled by referring to detection values of the air temperature sensor 52 and the coolant temperature sensor 53.
  • the air-fuel mixture When the methane number decreases, as described above, the air-fuel mixture easily ignites and the combustion speed increases. On the other hand, when the supply air temperature is lowered, the ignitability of the air-fuel mixture is weakened and the combustion speed can be lowered. Further, when the air supply temperature is lowered, the charging efficiency of the air supply is improved, and the fuel concentration of the air-fuel mixture is reduced. Thereby, the increase in the combustion rate accompanying the decrease in the methane number can be offset or alleviated. Therefore, it is possible to avoid abnormal combustion that may occur with a decrease in methane number, and to maintain the combustion state in a stable state before and after the change in properties.
  • the supply air temperature control unit 65 refers to the supply air temperature map 68 in accordance with the current value of the methane value, as in the case of the methane number decrease.
  • the supply air temperature adjustment unit 72 is controlled so that the temperature is corrected to increase (step S224).
  • the air supply temperature control unit 65 may control any of the devices (for example, the cooling water valve 44, the radiator 41, and the cooling water pump 42) included in the air supply temperature adjustment unit 72 when correcting the supply air temperature. Two or more devices may be controlled simultaneously. Similar to the control by the air pressure control unit 64, when two or more devices are controlled simultaneously, the supply air temperature may be corrected as a result of the operation of these two or more devices. Any one of them may perform an operation opposite to a typical operation mode for the correction (for example, reducing the opening of the cooling water valve 44 for correction of the supply air temperature increase).
  • the combustion stabilization process by the air supply control unit 62 (particularly, the combustion stabilization process by the supply air pressure control unit 63) is performed by the amount of air supplied to the cylinder 4, and consequently the fuel concentration, air-fuel ratio, and excess air in the mixture.
  • emphasis can be placed on improving the ignitability of the air-fuel mixture in the sub chamber 34, and emphasis can be placed on improving efficiency in the main chamber 33.
  • the sub-chamber gas engine 1 when performing combustion control for correcting the supply air pressure and the supply air temperature in response to property fluctuations, both the stabilization of the combustion state and the enhancement of efficiency are achieved. Can do.
  • step S231 when executing the combustion stabilization process (S200C) by the ignition control unit 63, the ignition control unit 63 first determines whether or not the methane number detected by the methane number detection unit has changed. Is determined (step S231).
  • the process (S200C) by the ignition control unit 63 is executed incidentally to the process (S200A and / or S200B) by the air supply control unit 62. For this reason, in step S231, the presence / absence of property variation may be determined using the second tolerance value that is larger than the first tolerance value described above in relation to step S211.
  • the methane number fluctuation dead zone set in the ignition control unit 63 may be larger than the methane number fluctuation dead band set in the air supply control unit 62.
  • the ignition control unit 63 does not correct the ignition timing according to the methane number (step S232).
  • the ignition control unit 63 controls the ignition device 28 so as to correct the ignition timing (step S233).
  • the ignition control unit 63 refers to the ignition timing map 69 to calculate a retard correction amount of the ignition timing according to the methane number, and the ignition device 28 so that the air-fuel mixture is ignited at the corrected ignition timing. Is given an operation command. When giving this operation command, a detection value of a crank angle sensor (not shown) may be referred to.
  • the air-fuel mixture easily ignites and the combustion speed increases.
  • the ignition timing is retarded, the combustion pressure decreases, and the combustion pressure can be moved away from the knock limit to the safe side.
  • the abnormal combustion of the gas engine 1 can be more reliably avoided by combining the correction control of the supply air pressure and / or the supply air temperature and the correction control of the ignition timing.
  • the ignition control unit 63 refers to the ignition timing map 69 in the same manner as when the methane number is decreased, and according to the current value of the methane number.
  • the ignition device 28 is controlled so that the ignition timing is corrected in advance (step S234).
  • Detecting the methane number is preferably performed at startup. Thereby, the time for stabilizing a combustion state by the fluctuation
  • variation of supply air pressure and / or supply air temperature is securable. Even if the ignition timing with high responsiveness is not immediately relied upon, the combustion state can be satisfactorily stabilized according to the change in the methane number.
  • FIG. 7 is a block diagram showing the configuration of the controller 260 of the combustion stabilization apparatus 200 according to the second embodiment of the present invention.
  • the second embodiment is different from the first embodiment in that the sensor and the controller cooperate to calculate the methane number.
  • the combustion stabilization apparatus 200 according to this embodiment will be described focusing on the differences from the above embodiment.
  • the combustion stabilization apparatus 200 includes the calorimeter 55 described above.
  • the calorimeter 55 is provided in the fuel line 20 (see FIG. 2), and detects the calorific value per unit volume of the gas fuel supplied from the fuel supply source (not shown) to the cylinder 4.
  • the combustion stabilization apparatus 200 may include an oxygen concentration sensor 56 (see FIG. 2) or a gas chromatography (not shown) instead of or in addition to the calorimeter 55.
  • the oxygen concentration sensor 56 is provided in the exhaust line 7 (see FIG. 2), and detects the oxygen concentration in the combustion exhaust gas (hereinafter referred to as “residual oxygen concentration” for convenience of explanation).
  • the gas chromatography is provided in the fuel line 20 and detects the composition of the gas fuel supplied from the fuel supply source (not shown) to the cylinder 4.
  • the concentration of light hydrocarbons increases when the methane number of the gas fuel is large, and the concentration of heavy hydrocarbons increases when the methane number of the gas fuel is small.
  • the calorific value per unit volume of the gas fuel decreases, and the residual oxygen concentration decreases.
  • the concentration of heavy hydrocarbons increases.
  • the calorific value and residual oxygen concentration per unit volume of the gas fuel correlate with the methane number. Therefore, the calorific value and residual oxygen concentration per unit volume of the gas fuel can be applied as the detection value used for grasping the methane number. Since gas chromatography detects the composition of gas fuel, the methane number can be accurately calculated based on the detected value.
  • the calorific value per unit volume of gas fuel, the residual oxygen concentration, and the composition of gas fuel are indicators that differ from the methane number itself. For this reason, when the calorimeter 55, the oxygen concentration sensor 56, or the gas chromatography is applied to the combustion stabilization apparatus 200, the controller 260 determines a value corresponding to the methane number (hereinafter simply referred to as methane) according to the detection values of these sensors and the like. The air supply pressure and / or the air supply temperature are controlled according to the calculated value. As described above, when the calorimeter 55, the oxygen concentration sensor 56 and / or the gas chromatography are applied, the applied sensor and the portion having the function of calculating the methane number in the controller 260 detect the methane number. The methane number detection part for doing is comprised.
  • the controller 260 includes a methane number calculation unit 261 that calculates a methane number.
  • the methane number calculation unit 261 refers to the methane number map 266 stored in the controller 260 in advance, and detects the sensor (the calorimeter 55, the oxygen concentration sensor 56 and / or the gas chromatography) applied to the combustion stabilization device 200.
  • the methane number is calculated according to the value.
  • the methane number map 266 defines the correspondence or correlation between the detection value of the sensor constituting the methane number detection unit (for example, the calorific value per unit volume of the gas fuel, the residual oxygen concentration, and the composition of the gas fuel) and the methane number. ing.
  • FIG. 8 is a graph schematically showing the methane number map 266 shown in FIG. 7 in a two-dimensional orthogonal coordinate system.
  • the methane number map 266 according to the methane number map 266, the smaller the calorific value per unit volume of the gas fuel, the smaller the methane number calculated. Further, according to the methane number map 266, the smaller the residual oxygen concentration, the smaller the methane number calculated.
  • the correspondence or correlation defined by the methane number map 266 matches the general tendency described above.
  • the methane number calculation unit 261 calculates the methane number in the methane number detection process (see S100 in FIG. 4) in the above embodiment. Will be.
  • the subsequent processing flow is the same as in the above embodiment. That is, the supply air pressure control unit 64 corrects the supply air pressure according to the methane number calculated by the methane number calculation unit 261.
  • the supply air temperature control unit 65 corrects the supply air temperature according to the methane number calculated by the methane number calculation unit 261.
  • the ignition control unit 63 corrects the ignition timing according to the methane number calculated by the methane number calculating unit 261.
  • the controller 260 cooperates with the internal processing of the controller 260.
  • the methane number can be detected with high accuracy. Even when the supply air pressure, the supply air temperature, and the ignition timing are corrected according to the methane number detected in this manner, the combustion state can be stabilized in response to the change in the properties of the gas fuel.
  • the present invention has been described so far, but the above configuration can be appropriately changed within the scope of the present invention.
  • the above embodiment has been applied to a gas engine that employs a so-called sub-chamber spark ignition method for the combustion chamber structure and combustion method
  • the present invention can be suitably applied to other gas engines.
  • the present invention may be applied to a single chamber type gas engine provided with a combustion chamber having no sub chamber. You may apply to the micro pilot ignition type gas engine provided with the valve which injects pilot oil as an ignition device.
  • the present invention has a remarkable effect that the combustion state can be stabilized in response to fluctuations in the properties of the gas fuel, and is configured such that the pressure or temperature of the supply air supplied to the cylinder can be adjusted. It is useful when applied to gas engines.

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Abstract

　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。

Description

ガスエンジン用の燃焼安定化装置
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
特開２００３－３１４３１６号公報
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
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。 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２に示す制御器の構成を示すブロック図である。 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。 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。
　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。
　［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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　（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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　（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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　（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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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）。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　［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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
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

Claims (7)

  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
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