JP6202948B2 - ターボ過給式エンジン及びその負荷投入方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料と空気との混合気を燃焼室において圧縮して燃焼させることにより回転動力を発生するエンジン本体と、
前記エンジン本体の排気路に設けられるタービンに前記燃焼室から排出される排ガスを供給し、前記タービンに連結される状態で吸気路に設けられるコンプレッサによって前記燃焼室に吸気される新気を圧縮する過給機と、
前記エンジン本体の回転速度を目標回転速度に維持する回転速度維持手段とを備えたターボ過給式エンジンとその負荷投入方法に関する。

エンジン本体が発生する回転動力にて回転駆動されるエンジン駆動式発電機では、負荷の急変に対する追従性が求められる。特に、非常用発電機である場合、エンジン本体を起動させた直後の無負荷の状態から、なるべく大きな負荷を速やかに投入できることが求められる（初期負荷投入）。エンジン本体の定格出力に対する初期投入負荷の割合である初期負荷投入率が高ければ、停電が発生しても優先的に給電が必要な重要負荷に迅速且つ安定的に給電することができる。
一方で、排ガスの排気エネルギーにて回転するタービンと当該タービンに連結され回転駆動されるコンプレッサとからなる過給機を備えたターボ過給式エンジンでは、負荷が急増した際、エンジン本体の調速装置の遅れに加え、過給機の応答遅れにより、迅速に必要な新気をエンジン本体に供給することができず、出力軸の回転速度が低下し、ストール（エンジン停止）に至る場合がある。
このような課題に対し、初期負荷投入時に過給機の回転上昇、つまり吸気圧力の上昇による投入燃料量の増加を促すために、初期負荷投入時にタービン前に圧縮窒素を導入するもの（特許文献１を参照）、初期負荷投入時に一時的に空気補充源から圧縮空気をエンジン本体に供給するもの（特許文献２を参照）、初期負荷投入時に大きな負荷を投入する前に小さな負荷を投入するように負荷投入状態を切り替えるもの（特許文献３を参照）等が、提案されている。

特許第４５８００９２号公報 特許第３６０８７７５号公報 特許第３５９２５５５号公報

しかしながら、上記特許文献１〜３に開示の技術の夫々には、以下に示す課題があった。特許文献１に開示の技術では、圧縮窒素を常備する必要があり、高コストになると共に、構成が複雑となる。
特許文献２に開示の技術では、エンジン本体が発生する回転動力で非常用発電機兼用の常用発電機を回転駆動する場合、運転中に吸気圧力の一部を蓄圧することが可能であるが、エンジン本体が非常用発電機を回転駆動する場合は、上記特許文献１に開示の技術と同じく、圧縮空気を常備する必要があり高コストになると共に、構成が複雑となる。
特許文献３に開示の技術では、負荷投入状態を切り替える必要があり、その負荷切替に適合する負荷を準備する必要があり、汎用性に欠けるという問題があった。

本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、比較的簡易な構成を維持しながらも、初期負荷投入に対する過給機の応答性が高く、エンジン本体がストールに陥ることを防止できるターボ過給式エンジン及びその負荷投入方法を提供することにある。

この目的を達成するための本発明に係るターボ過給式エンジンは、
燃料と空気との混合気を燃焼室において圧縮して燃焼させることにより回転動力を発生するエンジン本体と、
前記エンジン本体の排気路に設けられるタービンに前記燃焼室から排出される排ガスを供給し、前記タービンに連結される状態で吸気路に設けられるコンプレッサによって前記燃焼室に吸気される新気を圧縮する過給機と、
前記エンジン本体の回転速度を目標回転速度に維持する回転速度維持手段とを備えたターボ過給式エンジンであって、
その第１特徴構成は、
前記吸気路における前記コンプレッサの出口側と入口側とを接続するバイパス路と、当該バイパス路に配置されたバイパス弁とを備えると共に、
前記エンジン本体への初期負荷の投入時に前記バイパス弁を開放状態に維持するバイパス開放処理を実行し、前記エンジン本体への初期負荷の投入後に前記バイパス弁を閉塞させるバイパス閉塞処理を実行するバイパス制御手段を備え、
前記バイパス制御手段が、前記初期負荷の投入後且つ前記バイパス閉塞処理の実行前に、前記エンジン本体の出力不足が発生した場合に、前記バイパス弁の開度を縮小側に補正する補正処理を実行する補正手段を備えた点にある。
上記目的を達成するための本発明に係るターボ過給式エンジンは、
燃料と空気との混合気を燃焼室において圧縮して燃焼させることにより回転動力を発生するエンジン本体と、
前記エンジン本体の排気路に設けられるタービンに前記燃焼室から排出される排ガスを供給し、前記タービンに連結される状態で吸気路に設けられるコンプレッサによって前記燃焼室に吸気される新気を圧縮する過給機と、
前記エンジン本体の回転速度を目標回転速度に維持する回転速度維持手段とを備えたターボ過給式エンジンであって、
その第２特徴構成は、
前記吸気路における前記コンプレッサの出口側と入口側とを接続するバイパス路と、当該バイパス路に配置されたバイパス弁とを備えると共に、
前記エンジン本体への初期負荷の投入時に前記バイパス弁を開放状態に維持するバイパス開放処理を実行し、前記エンジン本体への初期負荷の投入後に前記バイパス弁を閉塞させるバイパス閉塞処理を実行するバイパス制御手段を備え、
前記バイパス制御手段が、前記初期負荷の投入後且つ前記バイパス閉塞処理の実行前に、前記エンジン本体の出力不足が発生した場合に、前記燃焼室に吸気される混合気の空燃比を燃料リッチ側に補正する補正処理を実行する補正手段を備えた点にある。

また、この目的を達成するための本発明に係るターボ過給式エンジンの負荷投入方法は、
燃料と空気との混合気を燃焼室において圧縮して燃焼させることにより回転動力を発生するエンジン本体と、
前記エンジン本体の排気路に設けられるタービンに前記燃焼室から排出される排ガスを供給し、前記タービンに連結される状態で吸気路に設けられるコンプレッサによって前記燃焼室に吸気される新気を圧縮する過給機と、
前記エンジン本体の回転速度を目標回転速度に維持する回転速度維持手段とを備えたターボ過給式エンジンの負荷投入方法であって、
その第１特徴構成は、
前記吸気路における前記コンプレッサの出口側と入口側とを接続するバイパス路と、当該バイパス路に配置されたバイパス弁とを設け、
前記エンジン本体への初期負荷の投入時に前記バイパス弁を開放状態に維持するバイパス開放処理を実行し、前記エンジン本体への初期負荷の投入後に前記バイパス弁を閉塞させるバイパス閉塞処理を実行し、
前記初期負荷の投入後且つ前記バイパス閉塞処理の実行前に、前記エンジン本体の出力不足が発生した場合に、前記バイパス弁の開度を縮小側に補正する補正処理を実行する点にある。
更に、この目的を達成するための本発明に係るターボ過給式エンジンの負荷投入方法は、
燃料と空気との混合気を燃焼室において圧縮して燃焼させることにより回転動力を発生するエンジン本体と、
前記エンジン本体の排気路に設けられるタービンに前記燃焼室から排出される排ガスを供給し、前記タービンに連結される状態で吸気路に設けられるコンプレッサによって前記燃焼室に吸気される新気を圧縮する過給機と、
前記エンジン本体の回転速度を目標回転速度に維持する回転速度維持手段とを備えたターボ過給式エンジンの負荷投入方法であって、
その第２特徴構成は、
前記吸気路における前記コンプレッサの出口側と入口側とを接続するバイパス路と、当該バイパス路に配置されたバイパス弁とを設け、
前記エンジン本体への初期負荷の投入時に前記バイパス弁を開放状態に維持するバイパス開放処理を実行し、前記エンジン本体への初期負荷の投入後に前記バイパス弁を閉塞させるバイパス閉塞処理を実行し、
前記初期負荷の投入後且つ前記バイパス閉塞処理の実行前に、前記エンジン本体の出力不足が発生した場合に、前記燃焼室に吸気される混合気の空燃比を燃料リッチ側に補正する補正処理を実行する点にある。

上記ターボ過給式エンジン及びその負荷投入方法の第１特徴構成によれば、ターボ過給式エンジンのエンジン本体において、吸気路におけるコンプレッサの出口側と入口側とを接続するバイパス路が設けられ、そのバイパス路にバイパス弁が配置される。そして、回転速度維持手段によりエンジン本体の回転速度が目標回転速度に維持されている状態において、上記バイパス開放処理が実行されてエンジン本体への初期負荷の投入時にバイパス弁が開放状態に維持されると、当該バイパス路における新気の通流が許容された状態となるので、コンプレッサの入口側圧力に対する出口側圧力の圧力差が小さくなってコンプレッサの回転負荷が低減され、結果、過給機の回転速度が上昇した状態になる。そして、過給機の応答性は、その過給機の回転速度が高い状態のほうが高いため、この状態にて、エンジン本体へ初期負荷が投入されることにより、その負荷に対するエンジン本体が発生する回転動力の仕事量であるエンジン出力の応答性を改善することができる。
また、初期負荷の投入後においては、上記バイパス開放処理により開放状態とされたバイパス弁は上記バイパス閉塞処理が実行されることにより閉塞される。すると、バイパス路における新気の通流が禁止された状態となるので、コンプレッサの入口側圧力に対する出口側圧力の圧力差が大きくなって、コンプレッサによる新気の圧縮が十分に行われるようになり、結果、エンジン効率を向上して一層安定した運転状態を維持することができる。
更に、上記ターボ過給式エンジンの第１特徴構成によれば、初期負荷の投入後且つバイパス閉塞処理の実行前において、例えばスロットル弁の開度が全開状態でそれ以上拡大できない状況で、エンジン本体の出力不足が発生したとしても、上記補正処理を実行することで、スロットル弁の開度の拡大に頼ることなくエンジン本体の出力不足を解消して、エンジン本体の回転速度を目標回転速度に維持することができる。
即ち、上記補正処理において、バイパス弁の開度を縮小側に補正すれば、コンプレッサの回転負荷を増加させて、新気に対する過給圧力を上昇させることができ、結果、エンジン出力を適度に増加させることができる。
更に、上記ターボ過給式エンジンの第２特徴構成によれば、初期負荷の投入後且つバイパス閉塞処理の実行前において、例えばスロットル弁の開度が全開状態でそれ以上拡大できない状況で、エンジン本体の出力不足が発生したとしても、上記補正処理を実行することで、スロットル弁の開度の拡大に頼ることなくエンジン本体の出力不足を解消して、エンジン本体の回転速度を目標回転速度に維持することができる。
即ち、上記補正処理において、燃焼室に吸気される混合気の空燃比を燃料リッチ側に補正すれば、１サイクルあたりの燃焼室への燃料投入量を増加させることができ、結果、エンジン出力を適度に増加させることができる。
尚、上記特徴構成において、エンジン本体の出力不足は、目標回転速度に対するエンジン本体の回転速度の偏差や目標出力に対するエンジン出力の偏差などを監視することで判定することができる。
また、上記第１及び第２特徴構成を適切に組み合わせて、補正処理において、バイパス弁の開度の縮小側への補正と、燃焼室に吸気される混合気の空燃比の燃料リッチ側への補正との両方を行えば、エンジン本体の出力不足を早期且つ確実に解消することができる。
従って、本発明により、比較的簡易な構成を維持しながらも、初期負荷投入に対する過給機の応答性が高く、エンジン本体がストールに陥ることを防止できるターボ過給式エンジン及びその負荷投入方法を提供することができる。

本発明に係るターボ過給式エンジンの第３特徴構成は、上記ターボ過給式エンジンの第１又は第２特徴構成に加えて、
前記吸気路において前記コンプレッサの下流側にスロットル弁が配置され、
前記エンジン本体への初期負荷の投入に伴って、前記回転速度維持手段が前記エンジンの回転速度の維持制御を実行することにより前記スロットル弁の開度が拡大される点にある。

上記ターボ過給式エンジンの第３特徴構成によれば、エンジン本体への初期負荷の投入に伴って、回転速度維持手段は、エンジン出力を上昇させてエンジンの回転速度を維持する維持制御を実行するにあたり、コンプレッサの下流側に設けられたスロットル弁の開度を急激に拡大させてエンジンに導かれる燃料及び混合気の流量を急激に増加させたり、燃料供給量を急激に増加させたりする。また、後者のように、燃料供給量を急激に増加させる場合には、燃焼室に吸気される混合気の空燃比を所望の空燃比に維持するために、空気供給量を増加させるべくスロットル弁の開度が急激に拡大される。
一方、バイパス開放処理が実行されてコンプレッサの回転速度が上昇した状態になると、コンプレッサの出口側からその下流側に向けて新気が比較的高速で吐出される状態になる。
よって、この状態にてエンジン本体への初期負荷が投入されてコンプレッサの下流側に配置されたスロットル弁の開度が拡大されると、そのスロットル弁の拡大直後には、高速で吐出された新気がその強い慣性力で燃焼室に充填されることになるので、結果、エンジン出力の応答性を一層改善することができる。

本発明に係るターボ過給式エンジンの第４特徴構成は、上記第１乃至第３特徴構成の何れかに加えて、
前記バイパス制御手段が、前記バイパス閉塞処理において、前記バイパス弁の開度をエンジン出力の上昇に伴って漸次縮小させる点にある。

上記ターボ過給式エンジンの第４特徴構成によれば、初期負荷の投入後のバイパス閉塞処理において、バイパス弁の開度がエンジン出力の上昇に伴って漸次縮小されることで、バイパス弁の閉塞によるコンプレッサの回転負荷の増加に合わせて、エンジン出力の増加によりタービンに供給される排ガスの排気エネルギーが増加することになる。よって、初期負荷投入後においても、過給機の回転速度を高い状態で維持することができ、バイパス弁の急な閉塞によるエンジン効率の低下やストールを回避することができる。

本発明に係るターボ過給式エンジンの第５特徴構成は、上記ターボ過給式エンジンの第２特徴構成に加えて、
前記バイパス制御手段が、前記初期負荷の投入後且つ前記バイパス閉塞処理の実行前に、前記エンジン本体の出力不足が発生した場合に、前記バイパス弁の開度を縮小側に補正する補正処理を実行する補正手段を備えた点にある。

上記ターボ過給式エンジンの第５特徴構成によれば、初期負荷の投入後且つバイパス閉塞処理の実行前において、例えばスロットル弁の開度が全開状態でそれ以上拡大できない状況で、エンジン本体の出力不足が発生したとしても、上記補正処理を実行することで、スロットル弁の開度の拡大に頼ることなくエンジン本体の出力不足を解消して、エンジン本体の回転速度を目標回転速度に維持することができる。
即ち、上記補正処理において、バイパス弁の開度を縮小側に補正すれば、コンプレッサの回転負荷を増加させて、新気に対する過給圧力を上昇させることができ、結果、エンジン出力を適度に増加させることができる。

ターボ過給式エンジンの概略構成図 ターボ過給式エンジンの負荷投入方法の参考形態における処理フローを示す説明図 ターボ過給式エンジンの負荷投入方法の参考形態における状態遷移を示す説明図 ターボ過給式エンジンの負荷投入方法の実施形態における処理フローを示す説明図 実施形態の負荷投入方法で実行される補正処理の処理フローを示す説明図 ターボ過給式エンジンの負荷投入方法の実施形態における状態遷移を示す説明図

本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。
図１に示すターボ過給式エンジン１００は、天然ガス等の燃料ガスＦ（燃料の一例）と空気Ａとの混合気Ｍを燃焼室２６ａにおいて圧縮して燃焼させることにより出力軸５０を回転させる形態で回転動力を発生するエンジン本体２６と、エンジン本体２６の排気路２７に設けられるタービン３２に燃焼室２６ａから排出される排ガスＥを供給し、タービン３２に連結される状態で吸気路２０に設けられるコンプレッサ３１によって燃焼室２６ａに吸気される新気としての混合気Ｍを圧縮する過給機３０とを備え、更には、センサ等の検出結果が入力され、その入力信号に基づいて制御弁などの各種補機を制御して、エンジン１００の運転を制御するコンピュータからなるエンジンコントロールユニット（以下、ＥＣＵと呼ぶ。）４０が備えられている。

この種のエンジン１００は、詳細な図示は省略するが、吸気路２０から燃焼室２６ａに新気として吸気された混合気Ｍを、ピストンの上昇により圧縮した状態で点火プラグにて火花点火して燃焼・膨張させることで、ピストンを押し下げて出力軸５０から回転動力を出力すると共に、燃焼により発生した排ガスＥは、燃焼室２６ａから排気路２７に押し出され、外部に排出される。

吸気路２０には、空気Ａを浄化するエアクリーナ２１、空気Ａに燃料ガスＦを適切な比率で混合するベンチュリー式のミキサ１４、及びミキサ１４にて混合された混合気Ｍを圧縮するコンプレッサ３１、開度調整により燃焼室２６ａへの混合気Ｍの吸気量を調整可能なスロットル弁２４、混合気Ｍを冷却するインタークーラ２５が、その上流側から記載順に設けられている。
即ち、吸気路２０において、ミキサ１４で燃料ガスＦと空気Ａとを混合して生成された混合気Ｍは、コンプレッサ３１により圧縮された後に、スロットル弁２４を介して所定の流量に調整され、インタークーラ２５にて冷却されて、エンジン本体２６の燃焼室２６ａに導入される。

ミキサ１４に燃料ガスＦを導く燃料供給路１１には、ミキサ１４の上流側の吸気路２０における燃焼用空気の圧力と燃料供給路１１の燃料ガスＦの圧力の差を一定に保つ差圧レギュレータ１２、ミキサ１４を介して燃焼室２６ａに供給される燃料ガスＦの供給量を調整する燃料供給量調整弁１３が設けられている。

出力軸５０には、出力軸５０の回転速度をエンジン本体２６の回転速度として計測する回転速度センサ５１が設けられている。
そして、ＥＣＵ４０は、回転速度センサ５１にて計測されたエンジン本体２６の回転速度に基づいて、燃料供給量調整弁１３の開度を制御して燃焼室２６ａへの燃料ガスＦの供給量を調整することによって、エンジン本体２６の回転速度を所望の目標回転速度に維持する回転速度維持手段４２として機能する。

また、排気路２７には、排ガスＥの酸素濃度を検出する酸素センサ５３が設けられている。
そして、ＥＣＵ４０は、酸素センサ５３で検出された排ガスＥの酸素濃度に基づいて、スロットル弁２４の開度を制御することによって、ミキサ１４に供給された燃料ガスＦに対する空気Ａの混合割合を調整して、ミキサ１４で生成される混合気Ｍの空燃比を理論空燃比等の所望の空燃比に維持する空燃比制御手段４３として機能する。

過給機３０は、エンジン本体２６の排気路２７に設けられるタービン３２に燃焼室２６ａから排出される排ガスＥを供給し、タービン３２に連結される状態で吸気路２０に設けられるコンプレッサ３１によって燃焼室２６ａに吸気される混合気Ｍを圧縮するターボ式の過給機として構成されている。即ち、この過給機３０は、排気路２７を通流する排ガスＥの運動エネルギによりタービン３２を回転させ、このタービン３２の回転力により吸気路２０に配置されたコンプレッサ３１を回転駆動する形態で、吸気路２０を通流する新気としての混合気Ｍを圧縮した状態で燃焼室２６ａに供給する所謂過給を行う。 また、この種のターボ式の過給機３０は、比較的高出力で運転が行わる際には、タービン３２への排ガスＥの供給量が増加することで、かかるタービン３２及びそれに連結されたコンプレッサ３１の回転速度（以下「過給機３０の回転速度」と呼ぶ。）が増加し、結果、コンプレッサ３１の出口側圧力、即ち吸気路２０におけるコンプレッサ３１とスロットル弁２４との間の圧力（以下「過給圧力」と呼ぶ。）が増加する。一方、比較的低出力で運転が行われる際には、タービン３２への排ガスＥの供給量が減少することで、過給機３０の回転速度が低下し、結果、過給圧力が低下する。

出力軸５０には非常用発電機２８が接続されており、出力軸５０で出力した回転動力が非常用発電機２８の駆動源として利用される。
非常用発電機２８には、電力線及び開閉器５２を介して電力負荷２９が接続されており、例えば、停電時において外部からの起動指令信号を受けたＥＣＵ４０によりエンジン本体２６が起動され、出力軸５０を回転させた状態で開閉器５２が開状態（電力通流を遮断する状態）から閉状態（電力通流を許容する状態）に切り替えられることで、非常用発電機２８に対して電力負荷２９で要求される電力に相当する発電負荷が投入され、それに伴って出力軸５０に対して非常用発電機２８を回転駆動するために必要な回転負荷が投入される。以下、このようにエンジン本体２６を起動してからの初期段階において開閉器５２を開状態から閉状態に切り替えてエンジン本体２６の出力軸５０に回転負荷を投入することを初期負荷の投入と呼ぶ場合がある。

更に、吸気路２０におけるコンプレッサ３１の出口側（吸気路２０のコンプレッサ３１の下流側且つスロットル弁２４の上流側）と入口側（吸気路２０のコンプレッサ３１の上流側且つミキサ１４の下流側）とを接続する、言い換えればコンプレッサ３１をバイパスするバイパス路６０が設けられており、このバイパス路６０には開度調整可能なバイパス弁６１が設けられている。
そして、ＥＣＵ４０は、エンジン本体２６への初期負荷の投入時にバイパス弁６１を開放状態に維持するバイパス開放処理を実行し、エンジン本体２６への初期負荷の投入後にバイパス弁を閉塞させるバイパス閉塞処理を実行するバイパス制御手段４１として機能する。

〔参考形態〕
以下、参考形態のターボ過給式エンジン１００の詳細構成について、負荷投入方法の処理フロー及び状態遷移と共に、図２及び図３に基づいて説明する。
ＥＣＵ４０は、エンジン本体２６への起動指令があると、当該起動指令に基づいて、燃料供給量調整弁１３の開度調整等を行いながら、エンジン本体２６を起動させる（図２の♯０１）。
その後、ＥＣＵ４０が機能する回転速度維持手段４２は、回転速度センサ５１にて計測されるエンジン本体２６の回転速度に基づいて、エンジン本体２６の回転速度が一定の目標回転速度となるように、燃料供給量調整弁１３の開度を制御する回転速度維持制御を実行する（図２の♯０２）。尚、ＥＣＵ４０は、エンジン本体２６が起動されている間、当該回転速度維持制御を実行し続ける。

次に、ＥＣＵ４０が機能するバイパス制御手段４１は、初期負荷投入指令があると、当該初期負荷投入指令に基づいて行われるエンジン本体２６への初期負荷の投入時に、バイパス開放処理を実行する（図２の♯０３、０４）。
説明を加えると、初期負荷投入が行われる直前、即ち、エンジン出力が略０の出力Ｑ１である無負荷状態において、図３の♯０４のタイミングで、バイパス制御手段４１は、コンプレッサ３１をバイパスするバイパス路６０に設けられたバイパス弁６１の開度を、閉塞側の開度Ｂ１（略０％）からその開度よりも大きい開放側の開度Ｂ２に変化させる形態で、バイパス弁６１を開放させる。
すると、バイパス路６０における混合気Ｍの通流が許容された状態となるので、過給圧力がバイパス開放処理前の圧力Ｐ２からそれよりも低い圧力Ｐ１に低下することにより、コンプレッサ３１の入口側圧力（略大気圧）に対する出口側圧力（言い換えれば過給圧力）の圧力差が小さくなって、コンプレッサ３１の回転負荷が低減され、結果、過給機の回転速度がパイパス処理前の回転速度Ｔ１からそれよりも大きい回転速度Ｔ２に上昇した状態になる。
また、上記のようなバイパス開放処理による過給圧力の低下に伴うエンジン出力の変動（低下）を抑制するために、バイパス弁６１の開放に合わせてスロットル弁２４の開度が若干拡大されて、当該スロットル弁２４の出口側圧力、言い換えれば燃焼室２６ａへの吸気圧力が一定に維持されることになる。

そして、ＥＣＵ４０は、バイパス開放処理が実行され、過給機３０の回転速度が上昇している状態で、初期負荷投入を実行する。即ち、エンジン本体２６の回転動力にて非常用発電機２８を、回転駆動し始める（図２の♯０５）。
このとき、過給機３０は、図３に示すように、初期負荷投入（図２の♯０５）のタイミングにて、回転速度が高い状態で駆動しており、負荷への応答性が高くなっているので、投入された初期負荷に対して、その回転速度を良好に追従させる。結果、エンジン本体２６では、初期負荷投入に追従して適切に混合気Ｍが供給されることとなり、初期負荷が投入された後に、大幅に回転速度を落としてストールに陥ることが防止される。
尚、このバイパス開放処理により拡大されるバイパス弁６１の開度Ｂ２は、初期負荷投入前後のバイパス路６０における混合気Ｍの流量の変化や燃焼室２６ａに対する混合気Ｍの吸気量の変化に応じて適宜設定される。

エンジン本体２６への初期負荷の投入に伴って、回転速度維持手段４２が、エンジン出力を上昇させてエンジン本体２６の回転速度を維持する維持制御を実行するにあたり、燃料供給量調整弁１３の弁開度を増加させて燃料ガスＦの供給量を増加させる。更に、この燃料供給量調整弁１３の開度増加に伴って、空燃比制御手段４３が、燃焼室２６ａに吸気される混合気Ｍの空燃比を所望の空燃比に維持するために、空気供給量を増加させるべくスロットル弁２４の開度を拡大させることになる。

一方、上記バイパス開放処理（＃０４）が実行されてコンプレッサ３１の回転速度が上昇した状態になると、コンプレッサ３１の出口側からその下流側に向けて混合気Ｍが比較的高速で吐出される状態になる。
よって、この状態にてエンジン本体２６への初期負荷が投入されてコンプレッサ３１の下流側に配置されたスロットル弁２４の開度が拡大されると、そのスロットル弁２４の拡大直後には、高速で吐出された混合気Ｍがその強い慣性力で燃焼室２６ａに充填されることになる。

ＥＣＵ４０が機能するバイパス制御手段４１は、エンジン本体２６への初期負荷の投入後に、バイパス閉塞処理を実行する（図２の♯０６）。
説明を加えると、初期負荷の投入後が開始されてから、初期負荷投入時間が経過すると、初期負荷投入が完了したと判定して、図３の♯０６のタイミングで、バイパス制御手段４１は、バイパス路６０に設けられたバイパス弁６１の開度を、開放側の開度Ｂ２からその開度よりも小さい閉塞側の開度Ｂ１（略０％）に変化させる形態で、バイパス弁６１を閉塞させる。
すると、バイパス路６０における混合気Ｍの通流が禁止された状態となるので、コンプレッサ３１の入口側圧力に対する出口側圧力（過給圧力）の圧力差が大きくなって、過給圧力がバイパス開放処理前の圧力Ｐ２よりも高い圧力Ｐ３まで上昇して、コンプレッサ３１による混合気Ｍの圧縮が十分に行われるようになり、結果、エンジン効率を向上して一層安定した運転状態が維持されることになる。

更に、バイパス制御手段４１は、このバイパス閉塞処理において、バイパス弁６１の開度をエンジン出力の上昇に伴って所定の上昇率で漸次縮小させる。
すると、バイパス弁６１の閉塞によるコンプレッサ３１の回転負荷の増加に合わせて、エンジン出力の増加によりタービン３２に供給される排ガスＥの排気エネルギーが増加することになる。よって、初期負荷投入後においても、過給機３０の回転速度を高い状態で維持することができ、バイパス弁６１の急な閉塞によるエンジン効率の低下やストールが回避される。
そして、ＥＣＵ４０は、バイパス開放処理及びバイパス閉塞処理の実行と同時に、エンジン出力を定格出力Ｑ２まで上昇させる（♯０７）。
また、上記のようなバイパス閉塞処理による過給圧力の上昇に伴うエンジン出力の変動（上昇）を抑制するために、バイパス弁６１の閉塞に合わせてスロットル弁２４の開度が若干縮小されて、当該スロットル弁２４の出口側圧力、言い換えれば燃焼室２６ａへの吸気圧力が一定に維持されることになる。

〔実施形態〕
以下、実施形態のターボ過給式エンジン１００の詳細構成について、図４〜図６を参照して、負荷投入方法の処理フロー及び状態遷移状態と合わせて説明する。
尚、上記参考形態と重複する説明については割愛する場合がある。

ＥＣＵ４０は、上記第１実施形態と同様に、エンジン本体２６を起動させ（図４の＃０１）、続いて回転速度維持制御を実行する（図４の＃０２）。
次に、ＥＣＵ４０が機能するバイパス制御手段４１は、初期負荷投入指令があると、当該投入指令に基づいて行われるエンジン本体２６への初期負荷Ｑ１の投入が行われる直前において、バイパス開放処理を実行する（図４の＃０３、図４及び図６の＃０４）。
説明を加えると、初期負荷Ｑ１の投入が行われる直前、即ち、エンジン出力が略０の出力である無負荷状態において、図６の＃０４のタイミングで、バイパス制御手段４１は、コンプレッサ３１をバイパスするバイパス路６０に設けられたバイパス弁６１の開度を、閉塞側の開度Ｉ１（約０％）から全開（１００％）の開度Ｉ３に変化させる形態で、バイパス弁６１を開放させ、吸気行程におけるポンピングロスを低減する。
また、バイパス開放処理による過給圧力の低下に合わせてスロットル弁２４の開度が、開度Ｓ１からそれよりも若干大きい開度Ｓ２に拡大されて、エンジン出力の変動が抑制される。

そして、ＥＣＵ４０は、バイパス開放処理が実行され、過給機３０の回転速度が上昇している状態で、初期負荷Ｑ１（例えば定格負荷（１００％負荷）に対して４０％の負荷）の投入を実行する（図４及び図６の＃０５）。
すると、エンジン本体２６への初期負荷Ｑ１の投入に伴って、回転速度維持手段４２が、エンジン出力を上昇させてエンジン本体２６の回転速度を維持する維持制御を実行するにあたり、燃料供給量調整弁１３の弁開度を増加させて燃料ガスＦの供給量を増加させる。更に、この燃料供給量調整弁１３の開度増加に伴って、空燃比制御手段４３が、燃焼室２６ａに吸気される混合気Ｍの空燃比を所望の空燃比に維持するために、空気供給量を増加させるべくスロットル弁２４の開度を、例えば最も大きい１００％開度である開度Ｓ５に拡大する。

しかし、スロットル弁２４の開度が全開状態になったとしても、バイパス開放処理により過給圧力が低下した状態では、エンジン出力が不足して、エンジン本体２６の回転速度が目標回転速度Ｒｔに対して大幅（例えば１００ｒｐｍ程度）に低下する場合がある。
そこで、ＥＣＵ４０は、初期負荷の投入（図４及び図６の＃０５）後、且つ、バイパス閉塞処理の実行（図４の＃０６）前に、エンジン本体２６の出力不足が発生した場合に、後述する所定の補正処理（図４の＃０５−１）を実行する補正手段として機能する。そして、この補正処理を実行することで、スロットル弁２４の開度の拡大に頼ることなくエンジン本体２６の出力不足が解消されて、エンジン本体２６の回転速度が目標回転速度Ｒｔに維持される。
以下、この補正処理の詳細について、図５に基づいて説明を加える。

この補正処理では、先ず、目標回転速度Ｒｔに対するエンジン本体２６の回転速度の偏差（以下「回転速度偏差」と呼ぶ。）が、所定の基準値ΔＲｔ（例えば１００ｒｐｍ程度）を超えたか否かが判定される（図５の＃１１）。
そして、回転速度偏差が基準値ΔＲｔを超えた場合には、バイパス弁６１の開度が、開度Ｉ３（約１００％）からそれよりも小さい開度Ｉ２（約５０％）に変化させる形態で縮小される（図５及び図６の＃１２−１）。
すると、コンプレッサ３１による混合気Ｍの圧縮がある程度行われるようになり、結果、エンジン出力が適度に増加することになる。

更に、このバイパス弁６１の開度の縮小（図５及び図６の＃１２−１）と同時に、燃料供給量調整弁１３の開度が所定量拡大されることで、燃焼室２６に吸気される混合気Ｍの空気比がλ０（例えば１．８程度）からλ１（例えば１．２程度）に変化する形態で、当該混合気Ｍの空燃比が燃料リッチ側に補正される（図５及び図６の＃１２−２）。
すると、１サイクルあたりの燃焼室２６への燃料投入量が増加し、結果、エンジン出力が適度に増加することによる。
そして、このような補正処理が実行されてエンジン出力が増加することで、エンジン本体２６の出力不足が解消されて、エンジン回転速度が目標回転速度Ｒｔに維持されることになる。

このような補正処理（図４の＃０５−１）の実行後において、エンジン回転速度が目標回転速度Ｒｔに維持された段階で、バイパス閉塞処理（図６の＃０６）を実行する。
即ち、初期負荷Ｑ１を投入（図４の＃０５）した後において、過給機３０の回転速度が高い状態で、吸気バイパス弁６１が閉塞されて、コンプレッサ３１による混合気Ｍの圧縮を開始されるので、過給圧力が迅速に上昇することになり、初期負荷Ｑ１に続く第２負荷Ｑ２の投入に備えられる。

そして、このように初期負荷Ｑ１の投入（図６の＃０５）及びバイパス閉塞処理（図６の＃０６）を実行した後に、初期負荷に続いて投入される残負荷Ｑ２，Ｑ３が投入される。尚、図６では、初期負荷Ｑ１に続く残負荷を、第２負荷Ｑ２及び第３負荷Ｑ３に分けて段階的に投入する例を示している。
また、この残負荷Ｑ２，Ｑ３に際しては、バイパス弁６１は閉塞状態を維持しているため、負荷の投入に伴ってスロットル弁２４の開度が漸次拡大することになる。具体的には、第２負荷Ｑ２の投入に伴ってスロットル弁２４の開度が開度Ｓ３からそれよりも大きい開度Ｓ４に拡大し、第３負荷Ｑ３の投入に伴ってスロットル弁２４の開度が開度Ｓ４からそれよりも大きい開度Ｓ５に拡大して略全開の状態となる。

尚、本実施形態では、図６において、燃焼室２６に吸気される混合気Ｍの空燃比の燃料リッチ側への補正処理（＃１２−２）を、バイパス弁６１の開度の縮小処理（図４及び図６の＃１２−１）よりも早い段階で開始するようにしたが、これら処理を同時に又は逆の順序で行っても構わない。

〔その他の実施形態〕
最後に、本発明のその他の実施形態について説明する。なお、以下に説明する各実施形態の構成は、それぞれ単独で適用されるものに限られず、矛盾が生じない限り、他の実施形態の構成と組み合わせて適用することも可能である。
（１）上記実施形態では、回転速度維持手段４２が、エンジン本体２６の回転速度を所望の目標回転速度に維持するために燃料供給量調整弁１３の開度を制御し、空燃比制御手段４３が、ミキサ１４で生成される混合気Ｍの空燃比を理論空燃比等の所望の空燃比に維持するためにスロットル弁２４の開度を制御するように構成したが、逆に、回転速度維持手段４２がスロットル弁１３の開度を調整することでエンジン本体２６の回転速度を所望の目標回転速度に維持し、空燃比制御手段４３がスロットル弁２４の開度を制御することでミキサ１４で生成される混合気Ｍの空燃比を理論空燃比等の所望の空燃比に維持するように構成しても構わない。

（２）上記実施形態では、初期負荷投入完了の判定につき、エンジン本体への初期負荷を投入した後で、初期負荷投入時間（一定時間）が経過したときに、初期負荷投が完了したと判定した。
しかしながら、初期負荷投入完了の判定につき、エンジン本体２６の回転速度やエンジン本体２６にて回転駆動される非常用発電機２８の発電電力の周波数の変動が収まったときに、初期負荷投入が完了したと判定するように構成してもよい。

（３）上記実施形態では、バイパス閉塞処理において、バイパス弁６１の開度をエンジン出力の上昇に伴って漸次縮小させる構成を説明したが、別に、バイパス閉塞処理において、バイパス弁６１の開度を段階的又は一気に閉塞させるように構成しても構わない。

（４）上記実施の形態では、初期負荷投入指令があった場合にバイパス開放処理を実行した上で初期負荷が投入される場合（図２の♯０３、０４、＃０５）について説明したが、初期投入指令の入力がなく初期負荷が投入されるような場合には、エンジンを起動した直後に無条件にバイパス開放処理を実行しておくことで、初期負荷の投入に備えるように構成しても構わない。

本発明は、燃料と空気との混合気を燃焼室において圧縮して燃焼させることにより回転動力を発生するエンジン本体と、前記エンジン本体の排気路に設けられるタービンに前記燃焼室から排出される排ガスを供給し、前記タービンに連結される状態で吸気路に設けられるコンプレッサによって前記燃焼室に吸気される新気を圧縮する過給機と、前記エンジン本体の回転速度を目標回転速度に維持する回転速度維持手段とを備えたターボ過給式エンジン及びその負荷投入方法として好適に利用可能である。

１３ ：燃料供給量調整弁
２０ ：吸気路
２４ ：スロットル弁
２６ ：エンジン本体
２６ａ ：燃焼室
２７ ：排気路
３０ ：過給機
３１ ：コンプレッサ
３２ ：タービン
４１ ：バイパス制御手段
４２ ：回転速度維持手段
６０ ：バイパス路
６１ ：バイパス弁
１００ ：ターボ過給式エンジン
Ａ ：空気
Ｆ ：燃料ガス（燃料）
Ｍ ：混合気

Claims (7)

1. 燃料と空気との混合気を燃焼室において圧縮して燃焼させることにより回転動力を発生するエンジン本体と、
   前記エンジン本体の排気路に設けられるタービンに前記燃焼室から排出される排ガスを供給し、前記タービンに連結される状態で吸気路に設けられるコンプレッサによって前記燃焼室に吸気される新気を圧縮する過給機と、
   前記エンジン本体の回転速度を目標回転速度に維持する回転速度維持手段とを備えたターボ過給式エンジンであって、
   前記吸気路における前記コンプレッサの出口側と入口側とを接続するバイパス路と、当該バイパス路に配置されたバイパス弁とを備えると共に、
   前記エンジン本体への初期負荷の投入時に前記バイパス弁を開放状態に維持するバイパス開放処理を実行し、前記エンジン本体への初期負荷の投入後に前記バイパス弁を閉塞させるバイパス閉塞処理を実行するバイパス制御手段を備え、
   前記バイパス制御手段が、前記初期負荷の投入後且つ前記バイパス閉塞処理の実行前に、前記エンジン本体の出力不足が発生した場合に、前記バイパス弁の開度を縮小側に補正する補正処理を実行する補正手段を備えたターボ過給式エンジン。
2. 燃料と空気との混合気を燃焼室において圧縮して燃焼させることにより回転動力を発生するエンジン本体と、
   前記エンジン本体の排気路に設けられるタービンに前記燃焼室から排出される排ガスを供給し、前記タービンに連結される状態で吸気路に設けられるコンプレッサによって前記燃焼室に吸気される新気を圧縮する過給機と、
   前記エンジン本体の回転速度を目標回転速度に維持する回転速度維持手段とを備えたターボ過給式エンジンであって、
   前記吸気路における前記コンプレッサの出口側と入口側とを接続するバイパス路と、当該バイパス路に配置されたバイパス弁とを備えると共に、
   前記エンジン本体への初期負荷の投入時に前記バイパス弁を開放状態に維持するバイパス開放処理を実行し、前記エンジン本体への初期負荷の投入後に前記バイパス弁を閉塞させるバイパス閉塞処理を実行するバイパス制御手段を備え、
   前記バイパス制御手段が、前記初期負荷の投入後且つ前記バイパス閉塞処理の実行前に、前記エンジン本体の出力不足が発生した場合に、前記燃焼室に吸気される混合気の空燃比を燃料リッチ側に補正する補正処理を実行する補正手段を備えたターボ過給式エンジン。
3. 前記吸気路において前記コンプレッサの下流側にスロットル弁が配置され、
   前記エンジン本体への初期負荷の投入に伴って、前記回転速度維持手段が前記エンジンの回転速度の維持制御を実行することにより前記スロットル弁の開度が拡大される請求項１又は２に記載のターボ過給式エンジン。
4. 前記バイパス制御手段が、前記バイパス閉塞処理において、前記バイパス弁の開度をエンジン出力の上昇に伴って漸次縮小させる請求項１〜３の何れか一項に記載のターボ過給式エンジン。
5. 前記バイパス制御手段が、前記初期負荷の投入後且つ前記バイパス閉塞処理の実行前に、前記エンジン本体の出力不足が発生した場合に、前記バイパス弁の開度を縮小側に補正する補正処理を実行する補正手段を備えた請求項２に記載のターボ過給式エンジン。
6. 燃料と空気との混合気を燃焼室において圧縮して燃焼させることにより回転動力を発生するエンジン本体と、
   前記エンジン本体の排気路に設けられるタービンに前記燃焼室から排出される排ガスを供給し、前記タービンに連結される状態で吸気路に設けられるコンプレッサによって前記燃焼室に吸気される新気を圧縮する過給機と、
   前記エンジン本体の回転速度を目標回転速度に維持する回転速度維持手段とを備えたターボ過給式エンジンの負荷投入方法であって、
   前記吸気路における前記コンプレッサの出口側と入口側とを接続するバイパス路と、当該バイパス路に配置されたバイパス弁とを設け、
   前記エンジン本体への初期負荷の投入時に前記バイパス弁を開放状態に維持するバイパス開放処理を実行し、前記エンジン本体への初期負荷の投入後に前記バイパス弁を閉塞させるバイパス閉塞処理を実行し、
   前記初期負荷の投入後且つ前記バイパス閉塞処理の実行前に、前記エンジン本体の出力不足が発生した場合に、前記バイパス弁の開度を縮小側に補正する補正処理を実行するターボ過給式エンジンの負荷投入方法。
7. 燃料と空気との混合気を燃焼室において圧縮して燃焼させることにより回転動力を発生するエンジン本体と、
   前記エンジン本体の排気路に設けられるタービンに前記燃焼室から排出される排ガスを供給し、前記タービンに連結される状態で吸気路に設けられるコンプレッサによって前記燃焼室に吸気される新気を圧縮する過給機と、
   前記エンジン本体の回転速度を目標回転速度に維持する回転速度維持手段とを備えたターボ過給式エンジンの負荷投入方法であって、
   前記吸気路における前記コンプレッサの出口側と入口側とを接続するバイパス路と、当該バイパス路に配置されたバイパス弁とを設け、
   前記エンジン本体への初期負荷の投入時に前記バイパス弁を開放状態に維持するバイパス開放処理を実行し、前記エンジン本体への初期負荷の投入後に前記バイパス弁を閉塞させるバイパス閉塞処理を実行し、
   前記初期負荷の投入後且つ前記バイパス閉塞処理の実行前に、前記エンジン本体の出力不足が発生した場合に、前記燃焼室に吸気される混合気の空燃比を燃料リッチ側に補正する補正処理を実行するターボ過給式エンジンの負荷投入方法。

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