JP2012017663A

JP2012017663A - ガスエンジンの始動制御方法

Info

Publication number: JP2012017663A
Application number: JP2010153959A
Authority: JP
Inventors: Ryoichi Hagiwara; 良一萩原; Toru Nakazono; 徹中園; Hiroyuki Otsubo; 弘幸大坪
Original assignee: Yanmar Co Ltd
Current assignee: Yanmar Co Ltd
Priority date: 2010-07-06
Filing date: 2010-07-06
Publication date: 2012-01-26

Abstract

【課題】組成変動の大きい燃料ガスを使用しても安定したエンジンの起動を確保する。
【解決手段】セルモータと、燃焼用空気中に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、エンジン回転数を検出する回転数センサーと、前記燃料ガス供給装置による燃料ガス供給量を制御する制御手段を有するガスエンジンの始動制御方法である。セルモータによる初期クランキング期間（Ｔ１）中、前記燃料ガス供給装置による燃料ガス供給量を所定の変更範囲（Ｗ１）内で順次増加させ、あるいは順次減少させ、初爆が生じた時の初爆回転数値（Ｎｓ）を前記回転数センサーにより検知し、制御手段に入力する動作を実行する。初期クランキング期間（Ｔ１）でエンジンが起動しなかった場合に、前記初爆回転数値（Ｎｓ）に対応する燃料供給量、たとえば燃料制御弁開度（Ｑｓ１）により、再度クランキングを実行する。
【選択図】図４

Description

本発明は、ガスエンジンの始動制御方法に関し、特に、バイオマスガス化燃料を使用するエンジンに適した始動制御方法に関する。

ガスエンジンにおける燃料ガス供給方式は、ミキサー方式（特許文献１）とインジェクター方式（特許文献２）とが有る。

ミキサー方式は、例えばベンチュリー式のミキサーと、該ミキサーへの燃料ガス供給量を制御する燃料制御弁とを備えており、エンジン始動時、前記燃料制御弁の開度及びスロットル弁の開度を一定に保ち、セルモータ等によりクランキングを実行している。

インジェクター方式は、吸気通路に燃料ガスを噴射するインジェクターを備えており、エンジン始動時、前記インジェクターの噴射期間及びスロットル弁の開度を一定に保ち、セルモータ等によりクランキングを実行している。

特開2009-264176号公報特開2006-105065号公報

近年、おが屑などをガス化炉により熱分解して得られるガス燃料、ごみ処理施設から排出されるガス燃料、生物の排泄物等から得られるバイオマスガス燃料、あるいは埋立地等からの自噴ガス燃料を利用して、ガスエンジンを駆動し、このガスエンジンにより発電機を駆動する発電システムが開発されている。

このような発電システムに備えられる前記ガスエンジンでは、ガス化炉等の運転状態や、おが屑等の原材料の種類により、燃料ガスの組成が時々刻々と変化するため、始動時における起動可能な燃料ガス供給量が大きく変動する。したがって、従来方法のように、常に、一定の燃料制御弁開度や燃料噴射期間で始動する方法では、始動できない場合がある。図３は、理論空燃比（理論空気量）と、始動時における起動可能な燃料ガス供給量、具体的には燃料制御弁開度又は燃料噴射期間との関係を示しており、燃料ガスの組成が変化すると、理論空燃比が変化し、理論空燃比が小さくなるに従い燃料制御弁開度又は燃料噴射期間が増大するという相関関係がある。図３における幅Ｄは、起動可能範囲の燃料制御弁開度の幅あるいは燃料噴射期間の幅を示している。

図９は、ガスエンジンにおける従来始動方法のタイムフローであり、縦軸の上段はクランキング時のエンジン回転数の変化を示し、下段は燃料制御弁開度又は燃料噴射期間の変化を示している。上段において、セルモータによるクランキング時の回転数Ｎ１（たとえば４００乃至４５０min⁻¹）は一定に設定されており、下段において、燃料制御弁開度（又は燃料噴射期間）Ｑ0も一定に設定されており、クランキング期間Ｔ０も一定（数秒〜１０秒程度）に設定されている。前述のように、燃料ガスの組成変化により、始動時の起動可能範囲Ｄが高くなっている場合、従来のように燃料制御弁開度又は燃料噴射期間が一定Ｑ0に設定されていると、燃料ガス供給量が起動可能範囲Ｄ内に達しないことがあり、このような状態では、クランキングを繰り返してもエンジンは起動しない。

上記課題を解決するため、本発明は、セルモータと、燃焼用空気中に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、エンジン回転数を検出する回転数センサーと、前記燃料ガス供給装置による燃料ガス供給量を制御する制御手段を有するガスエンジンの始動制御方法において、前記セルモータによる初期クランキング期間中、前記燃料ガス供給量を所定の変更範囲内で次第に増加させ、あるいは次第に減少させ、初爆が生じた時の初爆回転数値を前記回転数センサーにより検知し、前記制御手段に入力し、前記初期クランキング期間にエンジンが起動しなかった場合に、前記初爆回転数値に対応する燃料ガス供給量により、再度クランキングを実行する。

上記始動制御方法において、好ましくは次の構成を採用することができる。
（ａ）前記初期クランキング期間中、初爆が生じなかった場合に、前記燃料ガス供給量の所定の前記変更範囲から、燃料増側あるいは燃料減側に移した新しい変更範囲で、再度クランキングを実行する。

（ｂ）前記燃料ガス供給装置は、吸気通路内に配置されて空気と燃料ガスとを混合するミキサーと、該ミキサーへの燃料ガス供給量を調整する燃料制御弁とを有しており、前記初期クランキング期間中、前記燃料制御弁の開度を変更することにより、前記所定の変更範囲内での燃料増加又は燃料減少を実行する。

（ｃ）前記燃料ガス供給装置は、前記ミキサー及び燃料制御弁の代わりに、吸気通路内に燃料を噴射するインジェクターを有しており、前記初期クランキング期間中、前記インジェクターによる燃料噴射期間を変更することにより、前記所定の変更範囲内で燃料増加又は燃料減少する。

（１）組成が時々刻々と変化する組成変動の大きい燃料ガスを使用する場合でも、常に安定したエンジンの起動を確保することができる。

（２）構成（ａ）のように、初期クランキング期間中、初爆しなかった場合に、前記燃料ガス供給量の所定の変更範囲を、燃料増側あるいは燃料減側に移した状態で、再度クランキングを実行すると、組成変動の範囲がさらに大きい燃料ガスを使用する場合でも、安定したエンジンの起動を確保することができる。

（３）構成（ｂ）又は構成（ｃ）のように、燃料制御弁開度又は燃料噴射期間を変更することにより、燃料ガス供給量を変更するようにしていると、クランキング期間中、簡単に燃料供給量の増加あるいは減少を実行することができる。

本発明を実施するガスエンジンを備えたガス化発電システムの概略を示すブロック図である。図１のガスエンジンであって、燃料ガス供給装置としてミキサー及び燃料制御弁を有するガスエンジンを示す構成図である。図２のガスエンジンにおける理論空燃比と起動可能な燃料ガス供給量（燃料制御弁開度等）との関係を示すグラフである。本発明の第１の制御方法による始動時のエンジン回転数及び燃料制御弁開度等のタイムチャートである。本発明の第１の制御方法による制御の流れを示すフローチャートである。本発明の第２の制御方法による始動時のエンジン回転数及び燃料制御弁開度のタイムチャートである。本発明の第２の制御方法による制御の流れを示すフローチャートである。燃料ガス供給装置として、インジェクターを有するガスエンジンを示す構成図である。従来例による始動時のエンジン回転数及び燃料制御弁開度のタイムチャートである。

［バイオマスガス化発電システムの構成］
図１は、本発明の始動制御方法を実施するガスエンジンを備えたバイオマスガス化発電システム１を示しており、このバイオマスガス化発電システム１は、おが屑等の木質のバイオマス原料を投入するための投入ホッパ２と、投入されたバイオマス原料を加熱して熱分解ガスを発生させるガス化炉３と、発生した熱分解ガスを一時滞留させてタール等を分解除去する滞留槽４と、タール等除去後の熱分解ガスの冷却を行う冷却装置５と、冷却後の熱分解ガスの除塵を行うバグフィルタ６と、除塵後の熱分解ガスを、燃焼ガスとして発電装置１１のガスエンジン１２に供給する送風機７と、を備えている。発電装置１１は、前記ガスエンジン１２と、該ガスエンジン１２の出力軸に連結された発電機１３を備えている。前記送風機７には、発電装置１１を停止しているときに前記熱分解ガスを排出するフレアスタック８も接続されている。前記ガス化炉３には、前記原料の他に、空気、シール用の築炉及び点火用のＬＰＧ等が供給される。

このバイオマスガス化発電システム１からは、発電機１３で発電される電気や、エンジン１２の排気ガスの廃熱を利用した温水等が得られるようになっている。なお、発電装置１１としては、デュアルフューエルエンジン発電方式を採用している。

［ガスエンジン１２の第１の形態］
図２は、図１の発電装置１１に配置されたガスエンジン１２の第１の形態を示しており、ガスエンジン１２は、周知のように、シリンダ２１、ピストン２２、クランク軸２３、吸気弁２４、吸気通路２５、排気弁２６、排気通路２７、点火プラグ２８及び始動用のセルモータ２９等を備えている。燃料ガス供給装置３０はミキサー方式であり、吸気通路２５内に配置されたベンチュリー式ミキサー３１と、前記送風機７からの燃料ガスを前記ベンチュリー式ミキサー３１に供給する燃料制御弁３２を備えており、ベンチュリー式ミキサー３１の吸気下流側には、空気と燃料ガスとの混合ガスの流量を制御するスロットル弁３３が配置されている。さらに、クランク軸２３には、クランク軸の回転数、すなわちエンジン回転数を検出する回転数センサー３５が配置されている。

前記回転数センサー３５、燃料制御弁３２及びスロットル弁３３は、コントローラ（制御手段）４０に電気的に接続されており、コントローラ４０は、少なくとも、回転数センサー３５からの回転数検出信号が入力されると共に、燃料制御弁３２及びスロットル弁３３に、それらの開度を制御するための開度指示信号を送るようになっている。

［燃料制御弁３２及びスロットル弁３３の第１の制御］
図４は第１の始動制御を示すタイムチャートであり、横軸は時間（ｓｅｃ）、縦軸の上段は、エンジン回転数の変化、縦軸の下段は燃料制御弁３２の開度の変化を示している。ガスエンジン１２の始動制御に関し、コントローラ４０の記憶部には、図４のグラフの下段に示すように、初期クランキング期間Ｔ１において、燃料制御弁開度を、時間経過に比例して、所定の変更範囲Ｗ１内で、開度Ｑ１から開度Ｑ２まで次第に増加させるように制御するマップが記憶されており、かつ、制御プログラムとして、初期クランキング期間Ｔ１において、回転数センサー３５が、セルモータ２９によるクランキング回転数Ｎ１より大きい初爆時の回転数（初爆回転数値）Ｎｓを検知した時に、その初爆回転数値Ｎｓに対応する燃料制御弁開度Ｑｓ１を記憶するように、プログラムが書き込まれている。

前記燃料弁開度Ｑ１からＱ２までの変更範囲Ｗ１は、少なくとも、燃料ガスの平均的な組成に基づいた燃料制御弁開度の起動可能範囲Ｄ１を含むように設定されている。

図５は、前記図４の制御内容に基づく始動制御のフローチャートであり、この図５及び前記図４に基づいて始動時の具体的な作動及び制御を説明する。

ステップＳ１において、セルモータ２９により初期クランキングを開始する。この初期クランキング期間Ｔ１において、スロットル弁３３は一定の開度に保たれ、燃料制御弁開度は、次第に増大するように制御される。

ステップＳ２において、前記初期クランキング期間Ｔ１中にエンジンが起動したか否かを判別し、Ｙｅｓの場合は、ステップ７の通常運転に移行する。ステップＳ２でＮｏの場合は、ステップＳ３に進む。

ステップＳ３において、初期クランキング期間Ｔ１中、セルモータ２９によるクランキング回転数が初爆回転数値Ｎｓを越えたか否かを判別し、Ｎｏの場合はステップＳ１に戻り、Ｙｅｓの場合は、ステップＳ４に進む。

ステップＳ４において、初爆回転数値Ｎｓにおける燃料制御弁開度Ｑｓ１を記憶し、ステップＳ５に進み、前記燃料制御弁開度Ｑｓ１にて再度クランキングを実施し、ステップＳ６に進む。

ステップＳ６において、再度のクランキング期間中にエンジンが起動したか否かを判別し、Ｙｅｓの場合は、ステップ７の通常運転に移行する。Ｎｏの場合は、ステップＳ５に戻る。

前記ステップＳ３及びステップＳ６において、それぞれＮｏが所定回数繰り返される場合には、警報ランプ等による「起動不良」の警告が出される。

ステップＳ７において、最終的に通常運転に移行した場合には、図４の下段のように、燃料制御弁開度Ｑｓ１が維持され、図４の上段のように、エンジン回転数は、たとえばアイドル回転数Ｎｉに保たれる。

燃料ガスとして、バイオマスガス等を使用していることにより、図４の下段に示す起動可能範囲Ｄ１は、燃料ガス組成の変化により変動するが、第１の制御方法のように、初期クランキング期間Ｔ１において、燃料制御弁開度を次第に増加させることにより、爆発に必要な燃料制御弁開度（燃料供給量）Ｑｓ１を認識することができ、たとえ、初期クランキング期間Ｔ１で起動しなくとも、次のクランキング時において、爆発可能な増大した一定の燃料制御弁開度Ｑｓ１で燃料を供給することにより、確実に始動することができるのである。

［第２の始動制御方法］
図６及び図７は第２の制御方法を示しており、前記第１の制御方法に加え、図６に示すように、初期クランク期間Ｔ１において、セルモータ２９によるエンジン回転数が初爆回転数値Ｎｓに達しなかった場合に、次の第２のクランキング期間Ｔ２において、燃料ガスの変更範囲を、第１のクランキング期間Ｔ１の変更範囲Ｗ１から、一定量だけ燃料増側に移し、新たな変更範囲Ｗ２内でクランキングを行い、初爆回転数値Ｎｓを検知させるものである。前記新たな変更範囲Ｗ２は、たとえば、初期の変更範囲Ｗ１における最大の燃料制御弁開度Ｑ２から次第に増大し、新たな起動可能範囲Ｄ２よりも大きい開度Ｑ３まで増加させることが好ましい。その他の構成は第１の制御方法と同様である。

図７は、図６の制御内容に基づく始動制御のフローチャートであり、この図７及び前記図６に基づいて始動時の具体的な作動及び制御を説明する。

図７の右半分に示すステップＳ１からステップＳ７までの制御の流れは、ステップＳ３の処理を除いては、基本的に前記第１の制御と同様なので、説明は省略する。

ステップＳ３において、初期クランキング期間Ｔ１中、セルモータ２９によるクランキング回転数が前記初爆回転数値Ｎｓを越えたか否かを判別し、Ｎｏの場合は、ステップＳ８に進む。

ステップＳ８において、前記燃料制御弁開度の第１の変更範囲Ｗ１から一定量だけ増大側に移した新たな第２の変更範囲Ｗ２内で、燃料制御弁開度を次第に増大させながら、第２のクランキングを実施し、ステップＳ９に進む。

ステップＳ９において、第２のクランキング期間Ｔ２中、エンジン回転数が前記初爆回転数値Ｎｓを越えたか否かを判別する。Ｎｏであれば、ステップＳ８に戻り、変更範囲Ｗ２から更に燃料制御弁開度を増側に移行した新たな変更範囲でクランキングを実施する。ステップＳ９でＹｅｓの場合は、ステップＳ１０に進む。

ステップＳ１０において、初爆回転数値Ｎｓにおける燃料制御弁開度Ｑｓ２を記憶し、ステップＳ１１に進み、前記燃料制御弁開度Ｑｓ２にて再度クランキングを実施し、ステップＳ１２に進む。

ステップＳ１２において、エンジンが起動したか否かを判別し、Ｙｅｓの場合はステップ７の通常運転に移行する。Ｎｏの場合はステップＳ１１に戻る。

前記ステップＳ９及びステップＳ１２において、それぞれＮｏが所定回数繰り返される場合には、警報ランプ等による「起動不良」の警告が出される。

該第２の制御方法によると、燃料ガスの組成の変動がさらに大きい場合でも、確実にエンジンを始動することができる。

［ガスエンジンの別の例］
図８は、燃料ガス供給装置３０として、インジェクター４３を備えたガスエンジンを示しており、スロットル弁３３はインジェクター４３の吸気上流側に配置されている。その他の機械的構造は前記図２のミキサー方式の構造と同様であり、同じ部品には図２と同番号を付してある。

始動制御に関しては、前記図２のミキサー方式では、燃料制御弁の開度を制御することにより、燃料を増加、あるいは減少させて始動制御を実施したが、図８のガスエンジンでは、インジェクター４３の噴射期間を調節することにより、始動制御を実施するものであり、基本的な制御内容は、図５及び図６で説明した内容と同様である。

すなわち、図４に示す第１の制御方法並びに図６に示す第２の制御方法において、初期クランキング期間Ｔ１並びに第２のクランキング期間Ｔ２中は、インジェクターの噴射期間を次第に大きくすることにより、燃料供給量を次第に増大させている。

［その他の制御方法］
前記第１及び第２の制御方法では、初期クランキング期間Ｔ１中に、燃料制御弁開度並びに噴射期間を、次第に増大させるように制御したが、次第に減少させるように制御することも可能である。

本願発明に係る始動制御方法が実施されるガスエンジンは、前記バイオマスガス化発電システムの発電装置だけでなく、各所産業施設のガスエンジンに利用することができる。

１ガスエンジン
２３クランク軸
２５吸気通路
２９セルモータ
３０燃料ガス供給装置
３１ベンチュリー式ミキサー
３２燃料制御弁
３３スロットル弁
３５回転数センサー
４０コントローラ（制御手段）
４２インジェクター

Claims

セルモータと、燃焼用空気中に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、エンジン回転数を検出する回転数センサーと、前記燃料ガス供給装置による燃料ガス供給量を制御する制御手段を有するガスエンジンの始動制御方法において、
前記セルモータによる初期クランキング期間中、前記燃料ガス供給量を所定の変更範囲内で次第に増加させ、あるいは次第に減少させ、初爆が生じた時の初爆回転数値を前記回転数センサーにより検知し、前記制御手段に入力し、前記初期クランキング期間にエンジンが起動しなかった場合に、前記初爆回転数値に対応する燃料ガス供給量により、再度クランキングを実行する、ことを特徴とするガスエンジンの始動制御方法。
請求項１に記載のガスエンジンの始動制御方法において、
前記初期クランキング期間中、初爆が生じなかった場合に、前記燃料ガス供給量の所定の前記変更範囲から、燃料増側あるいは燃料減側に移した新しい変更範囲で、再度クランキングを実行する、ガスエンジンの始動制御方法。
請求項１又は２に記載のガスエンジンの始動制御方法において、
前記燃料ガス供給装置は、吸気通路内に配置されて空気と燃料ガスとを混合するミキサーと、該ミキサーへの燃料ガス供給量を調整する燃料制御弁とを有しており、
前記初期クランキング期間中、前記燃料制御弁の開度を変更することにより、前記所定の変更範囲内での燃料増加又は燃料減少を実行する、ガスエンジンの始動制御方法。
請求項１又は２に記載のガスエンジンの始動制御方法において、
前記燃料ガス供給装置は、吸気通路内に燃料ガスを噴射するインジェクターを有しており、
前記初期クランキング期間中、前記インジェクターによる燃料噴射期間を変更することにより、前記所定の変更範囲内での燃料増加又は燃料減少を実行する、ガスエンジンの始動制御方法。