WO2014199828A1

WO2014199828A1 - ガスエンジン

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Publication number: WO2014199828A1
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Inventors: 大坪　弘幸; 一真岸尾
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Abstract

燃料ガスの組成変化に対応して空燃比制御を行えるガスエンジンを提供する。Ａ／Ｆバルブ（２２）と、ソレノイドバルブ（２１）とを具備し、ソレノイドバルブ（２１）によってパータベーションを行うように構成され、基準燃料ガスによる特定のエンジン運転状況において、Ａ／Ｆバルブ（２２）を所定の開度に開けた状態で、ソレノイドバルブ（２１）を所定の開度からリーン側およびリッチ側に変動させて、当該ソレノイドバルブ（２１）によるパータベーションを行う制御部（１０）を備えており、当該制御部（１０）は、ガスエンジン（１）の運転状況が一定だとみなされる期間内における実際の運転時に、ガスエンジン（１）の排気経路（１３）に設けた前酸素センサ（３１）から得られる出力平均値（ｂ）が、当該条件で制御部（１０）に設定された前酸素サンセ（３１）の出力目標値（ａ）から外れている場合に、出力平均値（ｂ）が出力目標値（ａ）となるようにＡ／Ｆバルブ（２２）の開度を調整するガスエンジン（１）である。

Description

ガスエンジン

　本発明は、燃料ガスの燃焼カロリー(以下、単に「カロリー」という。)変化に対応することができるガスエンジンに関するものである。

　一般に、ガスエンジンにおける空燃比の制御は、一定組成の燃料ガスに対応するように設定されているが、実際に供給されている燃料ガスの組成は、一定ではないため、当該燃料ガスのカロリーも一定ではなく変化する。

　そこで、従来より、燃料ガスをガスクロマトグラフィ等のガス組成測定装置で測定し、その測定結果に基づいて空燃比を制御するようになされたガスエンジンが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３－１４８１８７号公報

　しかし、上記従来のガスエンジンの場合、ガスクロマトグラフィ等のガス組成測定装置は、経時的使用によってカラムが劣化するので定期的に交換しなければならず、コストや人件費が嵩むこととなる。

　また、ガスクロマトグラフィ等のガス組成測定装置は、気候の変化やカラムの劣化などによって検量線が変化してしまうので、標準ガスを用いて定期的に検量線を作り直さなければならず、取扱いが煩わしく、寒暖の差が激しい場所では使用できない。

　さらに、燃料ガスの組成を測定して測定結果が出るまでに時間を要するため、シリンダヘッドに供給した燃料ガスが、組成を測定した燃料ガスとはならず、ズレを生じることとなる。そのため、燃料ガスの供給経路を工夫して測定結果が出た燃料ガスをシリンダヘッドに送り込むことも考えられるが、この場合、装置が複雑化する。

　本発明は、係る実情に鑑みてなされたものであって、燃料ガスのカロリーの変化に対応して空燃比制御を行うことができるガスエンジンを提供することを目的としている。

　上記課題を解決するための本発明に係るガスエンジンは、第二バルブよりも応答性が低く燃料流量調整幅が大きい第一バルブと、第一バルブよりも応答性が高く燃料流量調整幅が小さい第二バルブとを具備し、第一バルブを所定の開度に開けた状態で、第二バルブを所定の開度からリーン側およびリッチ側に変動させて、当該第二バルブによるパータベーションを行うように構成された制御部を備えており、当該制御部は、ガスエンジンの排気経路に設けられた酸素センサの出力の平均値が、当該条件で制御部に設定されている酸素サンセの出力目標値から外れている場合に、出力平均値が出力目標値となるように第一バルブの開度を調整するようになされたものである。

　上記ガスエンジンにおいて、制御部は、実際の運転時の第二バルブによるパータベーション制御における最大開度と最小開度とに対応した、酸素センサの最大出力と最小出力とを抽出して出力平均値を算出するものであってもよい。

　上記ガスエンジンにおいて、制御部は、幅を持たせた出力目標値に収束するように第一バルブの開度を調整するものであってもよい。

　上記ガスエンジンにおいて、第一バルブおよび第二バルブは、各シリンダヘッド毎または複数のシリンダヘッド毎に設けられたものであってもよい。

　上記ガスエンジンにおいて、第一バルブおよび／または第二バルブが複数設けられたものであってもよい。

　上記ガスエンジンにおいて、酸素センサは、排気経路の触媒上流側に設けられた前酸素センサとなされたものであってもよい。

　上記ガスエンジンにおいて、酸素センサは、排気経路の触媒下流側に設けられた後酸素センサとなされたものであってもよい。

　本発明によると、燃料ガスの組成変化に対応して空燃比制御を行うことができる。

本発明に係るガスエンジンの全体構成の概略図である。図１に示すガスエンジンにおける燃料ガスと吸入空気との混合部の構成を示すブロック図である。パータベーション制御における空気過剰率、ソレノイドバルブ開度、センサ出力の各経時的変化を示すグラフである。出力平均値の算出方法を説明するグラフであって、パータベーション制御時における前酸素センサの出力値の経時的変化を詳細に示すグラフである。燃料ガスのカロリーの変化によって変動するソレノイドバルブおよびＡ／Ｆバルブの燃料ガス流量と吸入空気流量との関係を示すグラフである。前酸素センサからの出力を基に、燃料ガスのカロリー変化を考慮した際の制御部による制御を説明するフロー図である。後酸素センサからの出力を基に、燃料ガスのカロリー変化を考慮した際の制御部による制御を説明するフロー図である。出力平均値の他の算出方法を説明するグラフであって、パータベーション制御時における前酸素センサの出力値の経時的変化を詳細に示すグラフである。本発明の他の実施の形態に係る、前酸素センサからの出力を基に、ガスエンジンの燃料ガスのカロリー変化を考慮した際の制御部による制御を説明するフロー図である。本発明の他の実施の形態に係る、後酸素センサからの出力を基に、ガスエンジンの燃料ガスのカロリー変化を考慮した際の制御部による制御を説明するフロー図である。本発明のさらに他の実施の形態に係る、前酸素センサからの出力を基に、ガスエンジンの燃料ガスのカロリー変化を考慮した際の制御部による制御を説明するフロー図である。本発明のさらに他の実施の形態に係る、後酸素センサからの出力を基に、ガスエンジンの燃料ガスのカロリー変化を考慮した際の制御部による制御を説明するフロー図である。（ａ）は吸気部の他の構成を示す概略図、同図（ｂ）はさらに他の構成を示す概略図である。混合部の他の構成を示す概略図である。本発明に係るガスエンジンを使用したガスヒートポンプ装置の全体構成の概略を示す概略図である。本発明に係るガスエンジンを使用したコージェネレーション装置の全体構成の概略を示す概略図である。

　以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

　図１は本発明に係るガスエンジン１の全体構成の概略を示し、図２は同ガスエンジン１における燃料ガスと吸入空気との混合部２ａを示し、図３は同ガスエンジン１の制御部１０によるパータベーション制御の制御図を示し、図４は出力平均値ｂの算出方法を説明するグラフを示し、図５はソレノイドバルブ２１およびＡ／Ｆバルブ２２のバルブ特性を説明するグラフを示し、図６は燃料ガスのカロリー変化を考慮した制御部１０による制御フローを示している。

　このガスエンジン１は、ソレノイドバルブ２１とＡ／Ｆバルブ２２とを具備し、ソレノイドバルブ２１によるパータベーションを行うように構成されており、所定のエンジン回転数や負荷でストイキ運転を行ったときに、ガスエンジン１の排気経路１３に設けられた前酸素センサ３１から得られる出力平均値ｂが、当該条件で制御部１０に設定されている前酸素センサ３１の出力目標値ａとなるようにＡ／Ｆバルブ２２の開度を調整するようになされている。

　まず、ガスエンジン１の全体構成について説明する。

　ガスエンジン１は、シリンダヘッド１１に接続された吸気経路１２に、空気と燃料ガスとを混合する混合部２ａが設けられており、この混合部２ａとシリンダヘッド１１との間にスロットルバルブ２ｂが設けられている。これら混合部２ａおよびスロットルバルブ２ｂによって吸気部２が構成されており、この吸気部２は、制御部１０からの信号によって制御される。

　混合部２ａは、図２に示すように、ソレノイドバルブ２１とＡ／Ｆバルブ２２とメインジェット２３とアジャストスクリュ２４とが、レギュレータ２５とミキサー２６との間に並列に接続されている。

　ソレノイドバルブ２１は、理論空燃比となる空気過剰率（λ＝１）のストイキ運転を制御するために、燃料ガスが通過する開口面積を調整できるように設計された流量特性の弁によって構成されている。このソレノイドバルブ２１は、板バネまたはスプリングなどの付勢力によって流路を閉じるように付勢された可動弁を、電磁コイルで可動させて所定の開度に開くように構成されている。このソレノイドバルブ２１は、例えば２５ヘルツの速さで開閉を行い、その開閉の際のデューティ比を変更することで開度が調整できるようになされている。なお、ソレノイドバルブ２１は、２５ヘルツのものに限定されるものではなく、この種のパータベーション制御で使用される各種周波数のソレノイドバルブ２１であってもよい。この構成により、ソレノイドバルブ２１は、流量調整幅は小さいが、素早い流量調整が可能となされている。また、ソレノイドバルブ２１を構成する流量特性の弁は、比例制御弁によって構成されるものであってもよい。

　Ａ／Ｆバルブ２２は、理論空燃比となる空気過剰率（λ＝１）のストイキ運転から、リーン燃焼となる空気過剰率（λ＝１．４～１．６）のリーン運転までの範囲を制御するために、燃料ガスの通過経路の開口面積を調整できるように設計された流量特性の比例制御弁によって構成されている。このＡ／Ｆバルブ２２は、ステッピングモータの回転によって可動弁の開度を一段階毎に調整できるように構成されている。この構成によりＡ／Ｆバルブ２２は、素早い流量調整はできないが、幅広い空気過剰率の範囲に対応できるように流量調整幅が大きく構成されている。

　メインジェット２３は、ソレノイドバルブ２１およびＡ／Ｆバルブ２２とともに、レギュレータ２５からミキサー２６へ流れる燃料の量を調整するように構成されたバルブで、上記したソレノイドバルブ２１やＡ／Ｆバルブ２２とは異なり、開度は、使用するメインジェット２３の番号で固定されている。

　アジャストスクリュ２４は、手動で燃料ガスの量を調整するように構成されたバルブで、通常は、上記メインジェット２３とともに固定されている。

　レギュレータ２５は、常に一定の圧力で燃料ガスを供給できるように、燃料ガスの圧力を制御するようになされている。

　ミキサー２６は、空気と燃料ガスとを混合するベンチュリ管によって構成されている。このミキサー２６は、下流側に設けられたスロットルバルブ２ｂの開度に応じて吸入される空気のベンチュリ効果で燃料ガスと空気とを混合するようになされている。

　シリンダヘッド１１に接続される排気経路１３には、サイレンサ３ａが設けられており、このサイレンサ３ａとシリンダヘッド１１との間に三元触媒３ｂが設けられている。この三元触媒３ｂの排気ガス入口側には前酸素センサ３１が設けられており、出口側にも別の後酸素センサ３２が設けられている。

　混合部２ａは、リーン運転の際には、空気過剰率の範囲（λ＝１．４～１．６）のリーン運転を行うようになされている。この際、空気過剰率の範囲（λ＝１．４～１．６）の制御は、三元触媒３ｂの排気ガス入口側に設けられた全領域センサ（図示省略）からの検出結果に基づいて、ソレノイドバルブ２１を閉じた状態でＡ／Ｆバルブ２２を制御部１０によって制御することで行われる。

　また、混合部２ａは、ストイキ運転を行う場合には、理論空燃比の空気過剰率（λ＝１）を中心としてリーン側およびリッチ側に空燃比が変動するストイキ運転のパータベーション制御をすることができるようになされている。この際、パータベーション制御は、前酸素センサ３１および後酸素センサ３２からの検出結果に基づいて、Ａ／Ｆバルブ２２を開閉領域の中間の開度、例えば５０％の開度に開けた状態で、ソレノイドバルブ２１を開閉領域の中間の開度、例えば５０％となる開度に開け、当該ソレノイドバルブ２１を５０％の開度から所定のピッチで開けたり閉じたりを繰り返し、開度の変動を制御部１０によって制御することで行われる。

　ここで、ストイキ運転時において、ソレノイドバルブ２１およびＡ／Ｆバルブ２２を、開閉領域の中間の開度に設定しているのは、小さい開度や大きい開度の領域に比べて中間の開度は、比例制御の精度が高いからである。したがって、小さい開度や大きい開度の領域で補正制御すること等によって、開閉領域の全域にわたって比例制御の精度が同じであるような場合にはこのような中間の開度にこだわる必要はない。ただし、リーン運転を行うガスエンジン１の場合、Ａ／Ｆバルブ２２は、リーン運転時に閉じることを考慮し、ストイキ運転の際には中間の開度よりも大きい開度に設定しておくことが好ましい。以下、説明の便宜上、所定カロリーの燃料ガスを用いてストイキ運転を行う場合においては、ソレノイドバルブ２１を開度５０％、Ａ／Ｆバルブ２２を開度５０％と仮定して説明する。

　制御部１０は、所定カロリーの燃料ガスを用いてストイキ運転やリーン運転を行う場合の、ソレノイドバルブ２１およびＡ／Ｆバルブ２２のそれぞれの開度と、前酸素センサ３１、後酸素センサ３２、全領域センサ（図示省略）からの検出結果との関係が入力されており、この入力情報に従ってストイキ運転やリーン運転を制御するように構成されている。

　例えば、ストイキ運転を制御する場合、制御部１０は、三元触媒３ｂの入口側に設けられた前酸素センサ３１の測定検出結果が理論空燃比の空気過剰率（λ＝１）となるように、ソレノイドバルブ２１の時間平均開度を５０％に保ちながら、Ａ／Ｆバルブ２２の開度を調整することによって行われる。この際、基準燃料ガスが供給されていれば、Ａ／Ｆバルブ２２の開度も５０％に維持される。

　また、理論空燃比の空気過剰率（λ＝１）を中心としてリーン側およびリッチ側に空燃比が変動するストイキ運転のパータベーションの制御は、三元触媒３ｂの入口側に設けられた前酸素センサ３１と、その後段である三元触媒３ｂの出口側に設けられた後酸素センサ３２との測定検出結果に基づいて、ソレノイドバルブ２１の開閉度を制御することによって行われる。このパータベーションの制御は、制御部１０によって以下のようにして行われる。

　すなわち、図３に示すように、前酸素センサ３１によって三元触媒３ｂに流入する手前の排気ガスの酸素濃度を測定する。この前酸素センサ３１は、ストイキ運転よりもリッチ側に判定された場合には、ソレノイドバルブ２１を、ストイキ運転の設定よりも過剰にリーン側に閉じる。

　すると、排気ガス中の過剰の酸素は、三元触媒３ｂに吸蔵され、三元触媒３ｂに吸蔵された酸素が飽和してくるので、三元触媒３ｂの後段側に設けられた後酸素センサ３２は、ソレノイドバルブ２１の切り替えから所定の応答時間後にリーン側に移行する。

　また、三元触媒３ｂよりも前段側の前酸素センサ３１は、ストイキよりもリーン側にソレノイドバルブ２１を閉じたことにより、リーン側に判定されるので、この判定に合わせてソレノイドバルブ２１を、ストイキ運転の設定よりも過剰にリッチ側に開く。

　すると、三元触媒３ｂに吸蔵されていた酸素は、排気ガス中に放出されて排気ガスを浄化するが、そのうち三元触媒３ｂに吸蔵されていた酸素が枯渇するので、三元触媒３ｂ後段側に設けられた後酸素センサ３２は、ソレノイドバルブ２１の切り替えから所定の応答時間後にリッチ側に移行する。

　以後、約1～２秒程度の所定のピッチで空燃比を変更（パータベーション）させることで、三元触媒３ｂの後段側の後酸素センサ３２は、理論空燃比の空気過剰率（λ＝１）のリーン側とリッチ側とで空燃比がなだらかに変化する。この際、三元触媒３ｂは、酸素の吸蔵および放出が繰り返されることとなり、触媒の活性化した状態が保たれることとなる。

　制御部１０には、この図３に示したような制御マップが入力されており、所定カロリーの燃料ガスを用いてストイキ運転を行う場合、この制御マップに従った制御が行われることとなる。

　このうち、ソレノイドバルブ２１によるバルブ開度の制御パラメータとしては、所定時間で急激にバルブを開くジャンプアップ量Ｊ、その後、所定時間でなだらかにバルブが開くランプアップ速度Ｒ、次にソレノイドバルブ２１を急激に閉じるまでの間のディレイタイムＤによって決まる。したがって、制御部１０に入力されているソレノイドバルブ２１の開度については、このようなパータベーション制御時の開度変化の条件も入力されている。また、制御部１０は、ストイキ運転において、前酸素センサ３１が、理論空燃比の空気過剰率（λ＝１）となるときの酸素濃度の出力値が、出力目標値ａとして認識されている。この出力目標値ａは、前酸素センサ３１の出力値の単位時間当たりの平均値で算出さ
れている。

　また、制御部１０は、所定のエンジン回転数や負荷でソレノイドバルブ２１によるパータベーションを行っている実際の運転状況において、当該運転状況が安定しているとみなされるある一定時間内に、前酸素センサ３１の酸素濃度の出力値の履歴から、実際の運転状況における出力平均値ｂを算出するようになされている。この出力平均値ｂの算出は、図４に示すように、パータベーション制御によって変化する酸素濃度の出力値を各段階で測定して算出される。図４では、３サイクル分の出力値を平均して算出しているが、特に３サイクル分に限定されるものではなく、１サイクル分または２サイクル分の出力値を平均したものであってもよいし、３サイクル以上の出力値を平均して出力平均値ｂを算出したものであってもよい。実際の運転状況から出力値の履歴を１サイクル分だけさかのぼって出力平均値ｂを算出した場合、実際の運転状況に近く、かつ、データ処理を早く行うことができるが、データの安定性が懸念される。実際の運転状況から開度の履歴を３サイクル以上さかのぼって出力平均値ｂを算出した場合、平均算出のためのデータ数が大きいので安定したデータが得られるが、処理するデータ数が多くなってデータ処理が遅くなってしまう。したがって、実際の運転状況から開度の履歴をどれだけさかのぼって出力平均値ｂを算出するかについては、使用するガスエンジン１や、その使用環境に応じて適宜決定される。

　制御部１０は、このようにして算出された実際の運転状況における出力平均値ｂと、制御部１０に入力された同条件における本来の出力目標値ａとを比較するようになされている。そして、出力平均値ｂが出力目標値ａよりも小さい場合は、その小さい度合によってＡ／Ｆバルブ２２の開度を開き、出力平均値ｂが出力目標値ａと同じか大きい場合は、その大きい度合いに応じてＡ／Ｆバルブ２２の開度を保つ、または、さらに閉じ、出力平均値ｂと出力目標値ａとが一致するように制御される。

　次に、制御部１０による燃料ガスのカロリー変化を考慮した制御について説明する。

　基準となる所定カロリーの燃料ガスが供給されている場合は、上記したように制御部１０による制御が行われるが、実際に供給される燃料ガスのカロリーが基準よりも低い場合、または実際に供給される燃料ガスのカロリーが基準よりも高い場合、図５に示すように、流量調整幅の大きいＡ／Ｆバルブ２２を開閉することによって、当該Ａ／Ｆバルブ２２を、その燃料ガスカロリーに合った開度に設定し直す必要がある。例えば、Ａ／Ｆバルブ２２を低カロリーガスに合わせた開度または高カロリーガスに合わせた開度とした状態において、ソレノイドバルブ２１を全開または全閉にしたとしても、ソレノイドバルブ２１による流量調整幅Ｖｌ，Ｖｈは限られており、当該ソレノイドバルブ２１だけで、カロリーの低い燃料ガスからカロリーの高い燃料ガスまでの範囲を制御することはできない。

　しかも、上記したパータベーション制御のように制御部１０によってＡ／Ｆバルブ２２の開度を保ちながら、ソレノイドバルブ２１を開閉させて制御を行っている時に、燃料ガスのカロリーが変化したような場合、その変化は、ソレノイドバルブ２１によるパータベーション制御に混じってしまい、パータベーション制御により生じたものなのか、燃料ガスのカロリー変化により生じたものなのか判断がつかない。したがって、実際の運転状況では、燃料ガスのカロリーが変化したような場合であっても、素早い流量調整が可能なソレノイドバルブ２１がその変化に追従し、当該ソレノイドバルブ２１によって制御されてしまう。その結果、燃料ガスのカロリー変化による空燃比の変化を生じた場合、ソレノイドバルブ２１がより開く方向またはより閉じる方向にずれてパータベーションすることとなるが、当該ソレノイドバルブ２１の制御範囲が狭いため、すぐに制御可能範囲から外れて制御不能となってしまうこととなる。

　そこで、燃料ガスのカロリー変化が生じてソレノイドバルブ２１の開度が、より開く方向またはより閉じる方向にずれ始めた場合に、ソレノイドバルブ２１ではなく、Ａ／Ｆバルブ２２によって開度調整をすることができるように、制御部１０は、以下のように制御される。

　まず、理論空燃比の空気過剰率（λ＝１）でガスエンジン１のストイキ運転が開始される。このストイキ運転は、ソレノイドバルブ２１の開度の時間平均値が５０％となるように保ちながら、Ａ／Ｆバルブ２２の開度調整を行うことによって実行される。この際、燃料ガスが所定のカロリーであれば、Ａ／Ｆバルブ２２の開度も、所定のエンジン回転数や負荷でストイキ運転を行っていれば、あらかじめ制御部１０に設定されていた開度、すなわち、５０％の開度となるはずである。しかし、実際の運転時にガスエンジン１に供給される燃料ガスは、同じである保障は無く、地域によっては、一日の中で燃料ガスのカロリーが高くなったり、低くなったり変動する。

　そこで、図６に示すように、燃料ガスのカロリー変化を掴むために、まず、ストイキ運転時において所定のエンジン回転数や負荷を検出し、これらの条件で制御部１０に設定されている前酸素センサ３１の出力目標値ａを読み出す（ステップ１）。

　出力目標値ａを読み出した時から実際の運転状況における前酸素センサ３１の出力履歴を過去にさかのぼり、一定時間における前酸素センサ３１の出力履歴の平均値を出力平均値ｂとして算出する（ステップ２）。

　燃料ガスのカロリーが変化していなければ、ステップ１で読み出した出力目標値ａとステップ２で算出した出力平均値ｂとは一致するので、この出力目標値ａと出力平均値ｂとを比較する（ステップ３）。

　出力平均値ｂが出力目標値ａよりも小さい場合、その差の分だけ燃料ガスのカロリーが小さく、前酸素センサ３１によって検出される空気過剰率がリーン側にずれ始めていることとなるので、所定のレートに従って、Ａ／Ｆバルブ２２を開く（ステップ４）。

　出力平均値ｂが出力目標値ａよりも大きい場合、その差の分だけ燃料ガスのカロリーが大きく、前酸素センサ３１によって測定される空気過剰率がリッチ側にずれ始めていることとなるので、所定のレートに従って、Ａ／Ｆバルブ２２を閉じる。また、出力平均値ｂが出力目標値ａと同じ場合は、燃料ガスのカロリーが変化しておらず、前酸素センサ３１によって測定される空気過剰率はずれていないので、現在のレートのまま、Ａ／Ｆバルブ２２は開度を保つ（ステップ５）。

　以後、ステップ１からの制御を繰り返す。

　なお、本実施の形態において、制御部１０は、前酸素センサ３１から得られる出力目標値ａと出力平均値ｂとを比較してＡ／Ｆバルブ２２の開度を調整するようになされているが、三元触媒３ｂの排気ガス出口側に設けた後酸素センサ３２から得られる出力目標値ａと出力平均値ｂとを比較してＡ／Ｆバルブ２２の開度を調整するものであってもよい。

　図７は、後酸素センサ３２から得られる出力目標値ａと出力平均値ｂとを比較してＡ／Ｆバルブ２２の開度を調整する場合の制御部１０の制御フローを示している。まず、燃料ガスのカロリー変化を掴むために、ストイキ運転時において所定のエンジン回転数や負荷を検出し、これらの条件で制御部１０に設定されている後酸素センサ３２の出力目標値ａを読み出す（ステップ２１）。

　出力目標値ａを読み出した時から実際の運転状況における後酸素センサ３２の出力履歴を過去にさかのぼり、一定時間における後酸素センサ３２の出力履歴の平均値を出力平均値ｂとして算出する（ステップ２２）。

　燃料ガスのカロリーが変化していなければ、ステップ２１で読み出した出力目標値ａとステップ２２で算出した出力平均値ｂとは一致するので、この出力目標値ａと出力平均値ｂとを比較する（ステップ２３）。

　出力平均値ｂが出力目標値ａよりも小さい場合、その差の分だけ燃料ガスのカロリーが小さく、後酸素センサ３２によって検出される空気過剰率がリーン側にずれ始めていることとなるので、所定のレートに従って、Ａ／Ｆバルブ２２を開く（ステップ２４）。

　出力平均値ｂが出力目標値ａよりも大きい場合、その差の分だけ燃料ガスのカロリーが大きく、後酸素センサ３２によって測定される空気過剰率がリッチ側にずれ始めていることとなるので、所定のレートに従って、Ａ／Ｆバルブ２２を閉じる。また、出力平均値ｂが出力目標値ａと同じ場合は、燃料ガスのカロリーが変化しておらず、後酸素センサ３２によって測定される空気過剰率はずれていないので、現在のレートのまま、Ａ／Ｆバルブ２２は開度を保つ（ステップ２５）。

　以後、ステップ２１からの制御を繰り返す。

　これら図６および図７に示す制御により、ガスエンジン１は、基準燃料ガスよりもカロリーが低いまたは高い燃料ガスが供給された場合に、パータベーション制御において前酸素センサ３１または後酸素センサ３２の出力値と連動しているソレノイドバルブ２１ではなく、Ａ／Ｆバルブ２２の開度調整によって対応することができるので、燃料ガスのカロリーが大きく変化するような場合であっても、その変化に対応し、ソレノイドバルブ２１によるストイキ運転のパータベーション制御を継続して行うことができる。したがって、排ガスの浄化性能を維持できる期間が長くなり、メンテナンスインターバルを長期化できる。また、触媒の貴金属量や容量を大きくしなくてもよくなり、触媒のコスト上昇を防止することができる。さらに、カロリー変化が大きな燃料ガスを使用する場合であっても、ガスエンジン１を運転することができる。また、燃料ガスのカロリーが異なる複数の国や地域で使用することが可能となる。

　なお、図５に示すように、低カロリーガスが供給されている場合にソレノイドバルブ２１を全閉から全開にしたときのガス流量調整幅Ｖｌと、高カロリーガスが供給されている場合にソレノイドバルブ２１を全閉から全開にしたときのガス流量調整幅Ｖｈとは、大きく異なるため、同じ開度変化量でパータベーション制御を行うと、高カロリーガスが供給されている場合には空燃比の変動幅が大きくなり、低カロリーガスが供給されている場合には空燃比の変動幅が小さくなり、パータベーションがうまくいかなくなってしまう。したがって、ソレノイドバルブ２１によってストイキ運転のパータベーション制御を行う場合に、Ａ／Ｆバルブ２２の開度を低カロリーガスに合わせ直したときは、ソレノイドバルブ２１の開閉度は流量調整幅Ｖｌを考慮して開度変化量を大きくし、Ａ／Ｆバルブ２２の開度を高カロリーガスに合わせ直したときは、ソレノイドバルブ２１の開閉度は流量調整幅Ｖｈを考慮して開度変化量を小さくすることで、空燃比の変動幅が安定したパータベーション制御を行うことが好ましい。この場合、流量調整幅Ｖｌ、Ｖｈを考慮したソレノイドバルブ２１の開度変化量は、Ａ／Ｆバルブ２２の開度と連動する形で、制御部１０に入力設定しておくことができる。

　本実施の形態において、出力平均値ｂは、図４に示すように、パータベーション制御の各空気過剰率の段階で前酸素センサ３１の出力値を測定して算出している。しかし、この場合、出力平均値ｂを算出するために必要とされるデータ数が多く、制御部１０に負担がかかることとなる。したがって、図８に示すように、出力平均値ｂは、パータベーション制御における前酸素センサ３１の最大出力値と最小出力値とを測定して平均化することで簡易に算出するものであってもよい。この際、前酸素センサ３１の最大出力値と最小出力値とは、前酸素センサ３１から得られる出力値の変動曲線の変曲点の位置で検出される。出力平均値ｂを算出するために必要なデータ数は、パータベーション制御の１サイクル当たり、２つとなるので、例えば１０サイクル分のデータを過去にさかのぼって出力平均値ｂを測定しても制御部１０の情報処理に負担をかけることを防止することができる。図９は、このようにして算出した出力平均値ｂによる制御部１０の制御について開示している。

　すなわち、燃料ガスのカロリー変化を掴むために、まず、ストイキ運転時において所定のエンジン回転数や負荷を検出し、これらの条件で制御部１０に設定されているソレノイドバルブ２１の出力目標値ａを読み出す（ステップ３１）。

　出力目標値ａを読み出した時から実際の運転状況における前酸素センサ３１の出力履歴を過去にさかのぼり、一定時間における前酸素センサ３１の出力履歴の平均値を出力平均値ｂとして算出する。この際、前酸素センサ３１の最大出力値と最小出力値とを過去１０サイクル分にさかのぼって測定し、平均化して出力平均値ｂを算出する（ステップ３２）。

　燃料ガスのカロリーが変化していなければ、ステップ３１で読み出した出力目標値ａとステップ３２で算出した出力平均値ｂとは一致するので、この出力目標値ａと出力平均値ｂとを比較する（ステップ３３）。

　出力平均値ｂが出力目標値ａよりも小さい場合、その差の分だけ燃料ガスのカロリーが小さく、前酸素センサ３１によって検出される空気過剰率がリーン側にずれ始めていることとなるので、所定のレートに従って、Ａ／Ｆバルブ２２を開く（ステップ３４）。

　出力平均値ｂが出力目標値ａよりも大きい場合、その差の分だけ燃料ガスのカロリーが大きく、前酸素センサ３１によって検出される空気過剰率がリッチ側にずれ始めていることとなるので、所定のレートに従って、Ａ／Ｆバルブ２２を閉じる。また、出力平均値ｂが出力目標値ａと同じ場合は、燃料ガスのカロリーが変化しておらず、前酸素センサ３１によって検出される空気過剰率はずれていないので、現在のレートのまま、Ａ／Ｆバルブ２２は開度を保つ（ステップ３５）。

　以後、ステップ３１からの制御を繰り返す。

　図１０は、後酸素センサ３２から得られる出力目標値ａと出力平均値ｂとを比較してＡ／Ｆバルブ２２の開度を調整する場合の制御部１０の制御フローを示している。まず、燃料ガスのカロリー変化を掴むために、ストイキ運転時において所定のエンジン回転数や負荷を検出し、これらの条件で制御部１０に設定されている後酸素センサ３２の出力目標値ａを読み出す（ステップ４１）。

　出力目標値ａを読み出した時から実際の運転状況における後酸素センサ３２の出力履歴を過去にさかのぼり、一定時間における後酸素センサ３２の出力履歴の平均値を出力平均値ｂとして算出する。この際、後酸素センサ３２の最大出力値と最小出力値とを過去１０サイクル分にさかのぼって測定し、平均化して出力平均値ｂを算出する（ステップ４２）。

　燃料ガスのカロリーが変化していなければ、ステップ４１で読み出した出力目標値ａとステップ４２で算出した出力平均値ｂとは一致するので、この出力目標値ａと出力平均値ｂとを比較する（ステップ４３）。

　出力平均値ｂが出力目標値ａよりも小さい場合、その差の分だけ燃料ガスのカロリーが小さく、後酸素センサ３２によって検出される空気過剰率がリーン側にずれ始めていることとなるので、所定のレートに従って、Ａ／Ｆバルブ２２を開く（ステップ４４）。

　出力平均値ｂが出力目標値ａよりも大きい場合、その差の分だけ燃料ガスのカロリーが大きく、後酸素センサ３２によって検出される空気過剰率がリッチ側にずれ始めていることとなるので、所定のレートに従って、Ａ／Ｆバルブ２２を閉じる。また、出力平均値ｂが出力目標値ａと同じ場合は、燃料ガスのカロリーが変化しておらず、後酸素センサ３２によって検出される空気過剰率はずれていないので、現在のレートのまま、Ａ／Ｆバルブ２２は開度を保つ（ステップ４５）。

　以後、ステップ４１からの制御を繰り返す。

　これら図9および図１０に示す制御により、ガスエンジン１は、基準燃料ガスよりもカロリーが低いまたは高い燃料ガスが供給された場合に、ソレノイドバルブ２１ではなく、Ａ／Ｆバルブ２２の開度調整によって対応することができるので、燃料ガスのカロリーが大きく変化するような場合であっても、その変化に対応し、ソレノイドバルブ２１によるストイキ運転のパータベーション制御を継続して行うことができる。

　また、制御部１０の情報処理に負担をかけることなく、出力平均値ｂを算出して空燃比制御を行うことができる。

　なお、図９および図１０に示す制御において、出力平均値ｂは、最大出力値と最小出力値とを過去１０サイクル分にさかのぼって測定し、平均化して算出するようになされているが（ステップ３２、ステップ４２）、特に１０サイクル分の出力履歴を基にして出力平均値ｂを算出することに限定されるものではなく、使用するガスエンジン１や、その設置環境に応じて適宜変更するものであってもよい。

　また、上記した各実施の形態においては、出力目標値ａと出力平均値ｂとを比べてその差の分だけ、所定のレートに従ってＡ／Ｆバルブ２２を制御するようになされているが、出力目標値ａと出力平均値ｂとが完全に一致することは難しい。したがって、上記制御による場合、頻繁にＡ／Ｆバルブ２２が開いたり閉じたりを繰り返すこととなり、制御部１０への負担が大きくなってしまうことが懸念される。そこで、図１１に示すように、制御部１０にマップ化された各出力目標値ａとともに、当該出力目標値ａと対応する不感帯幅ｃを制御部１０に入力設定しておき、この不感帯幅ｃを用いて制御するものであってもよい。

　この不感帯幅ｃとは、出力目標値ａと出力平均値ｂとの差に反応してＡ／Ｆバルブ２２が頻繁に開閉しないように設定される値であって、この値を超えた差にならないとＡ／Ｆバルブ２２の開度変更が行われないように設定される数値範囲である。したがって、この不感帯幅ｃは、使用するガスエンジン１や、その使用環境に応じて適宜設定される。

　図１１は、前酸素センサ３１から得られる出力目標値ａと出力平均値ｂとを比較してＡ／Ｆバルブ２２の開度を調整する場合の制御部１０の制御フローを示している。すなわち、燃料ガスのカロリー変化を掴むために、まず、ストイキ運転時において所定のエンジン回転数や負荷を検出し、これらの条件で制御部１０に設定されている前酸素センサ３１の出力目標値ａを読み出す（ステップ５１）。

　出力目標値ａを読み出した時から実際の運転状況における前酸素センサ３１の開度履歴を過去にさかのぼり、一定時間における前酸素センサ３１の出力履歴の平均値を出力平均値ｂとして算出する（ステップ５２）。

　出力目標値ａを読み出した時と同じ、エンジン回転数や負荷が一定となった期間内における不感帯幅ｃを制御部１０から読み出す（ステップ５３）。

　燃料ガスのカロリーの変化が小さければ、ステップ５１で読み出した出力目標値ａとステップ５２で算出した出力平均値ｂとの差は、不感帯幅ｃよもり小さいはずなので、この出力目標値ａと出力平均値ｂとの差（｜ａ－ｂ｜）を不感帯幅ｃと比較する（ステップ５４）。

　出力目標値ａと出力平均値ｂとの差（｜ａ－ｂ｜）が、不感帯幅ｃと同じか小さい場合は、燃料ガスのカロリーの変化は許容される範囲内の変化であるため、ステップ５１からの制御が繰り返される。

　出力目標値ａと出力平均値ｂとの差（｜ａ－ｂ｜）が、不感帯幅ｃよりも大きい場合は、燃料ガスのカロリー変化は許容される範囲を超えたものであるため、出力目標値ａと出力平均値ｂとを比較する（ステップ５５）。

　出力平均値ｂが出力目標値ａよりも小さい場合、その差の分だけ燃料ガスのカロリーが小さく、前酸素センサ３１によって検出される空気過剰率がリーン側にずれ始めていることとなるので、所定のレートに従って、Ａ／Ｆバルブ２２を開く（ステップ５６）。

　出力平均値ｂが出力目標値ａよりも大きい場合、その差の分だけ燃料ガスのカロリーが大きく、前酸素センサ３１によって検出される空気過剰率がリッチ側にずれ始めていることとなるので、所定のレートに従って、Ａ／Ｆバルブ２２を閉じる。また、出力平均値ｂが出力目標値ａと同じ場合は、燃料ガスのカロリーが変化しておらず、前酸素センサ３１によって検出される空気過剰率はずれていないので、現在のレートのまま、Ａ／Ｆバルブ２２は開度を保つ（ステップ５７）。

　以後、ステップ５１からの制御を繰り返す。

　図１２は、後酸素センサ３２から得られる出力目標値ａと出力平均値ｂとを比較してＡ／Ｆバルブ２２の開度を調整する場合の制御部１０の制御フローを示している。すなわち、燃料ガスのカロリー変化を掴むために、まず、ストイキ運転時において所定のエンジン回転数や負荷を検出し、これらの条件で制御部１０に設定されている後酸素センサ３２の出力目標値ａを読み出す（ステップ６１）。

　出力目標値ａを読み出した時から実際の運転状況における後酸素センサ３２の開度履歴を過去にさかのぼり、一定時間における後酸素センサ３２の出力履歴の平均値を出力平均値ｂとして算出する（ステップ６２）。

　出力目標値ａを読み出した時と同じ、エンジン回転数や負荷が一定となった期間内における不感帯幅ｃを制御部１０から読み出す（ステップ６３）。

　燃料ガスのカロリーの変化が小さければ、ステップ６１で読み出した出力目標値ａとステップ６２で算出した出力平均値ｂとの差は、不感帯幅ｃよもり小さいはずなので、この出力目標値ａと出力平均値ｂとの差（｜ａ－ｂ｜）を不感帯幅ｃと比較する（ステップ６４）。

　出力目標値ａと出力平均値ｂとの差（｜ａ－ｂ｜）が、不感帯幅ｃと同じか小さい場合は、燃料ガスのカロリーの変化は許容される範囲内の変化であるため、ステップ６１からの制御が繰り返される。

　出力目標値ａと出力平均値ｂとの差（｜ａ－ｂ｜）が、不感帯幅ｃよりも大きい場合は、燃料ガスのカロリー変化は許容される範囲を超えたものであるため、出力目標値ａと出力平均値ｂとを比較する（ステップ６５）。

　出力平均値ｂが出力目標値ａよりも小さい場合、その差の分だけ燃料ガスのカロリーが小さく、後酸素センサ３２によって検出される空気過剰率がリーン側にずれ始めていることとなるので、所定のレートに従って、Ａ／Ｆバルブ２２を開く（ステップ６６）。

　出力平均値ｂが出力目標値ａよりも大きい場合、その差の分だけ燃料ガスのカロリーが大きく、後酸素センサ３２によって検出される空気過剰率がリッチ側にずれ始めていることとなるので、所定のレートに従って、Ａ／Ｆバルブ２２を閉じる。また、出力平均値ｂが出力目標値ａと同じ場合は、燃料ガスのカロリーが変化しておらず、後酸素センサ３２によって検出される空気過剰率はずれていないので、現在のレートのまま、Ａ／Ｆバルブ２２は開度を保つ（ステップ６７）。

　以後、ステップ６１からの制御を繰り返す。

　これら図１１および図１２に示す制御により、ガスエンジン１は、基準燃料ガスよりもカロリーが低いまたは高い燃料ガスが供給された場合に、ソレノイドバルブ２１ではなく、Ａ／Ｆバルブ２２の開度調整によって対応することができるので、燃料ガスのカロリーが大きく変化するような場合であっても、その変化に対応し、ソレノイドバルブ２１によるストイキ運転のパータベーション制御を継続して行うことができる。

　また、不感帯幅ｃを設けて制御することにより、出力目標値ａと出力平均値ｂとの差に反応してＡ／Ｆバルブ２２が頻繁に開閉するのを防止することができ、かつ、制御部１０による情報処理の負担を軽減できる。したがって、空燃比が意図せずハンチングしたりすることを防止して空燃比制御の安定化を図ることができる。

　なお、この図１１および図１２に示す制御は、図６および図７に示す制御に不感帯幅ｃを取り入れた場合について説明しているが、図９および図１０に示す制御に不感帯幅ｃを取り入れて制御を行うものであってもよい。

　本実施の形態において、混合部２ａは、吸気経路１２に一つ設けられているが、図１３（ａ）に示すように、ガスエンジン１の各シリンダヘッド１１に一つずつ設けられたものであってもよいし、図１３（ｂ）に示すように、２つ以上の幾つかのシリンダヘッド１１毎に（図面では２つ）一つの単位で設けられたものであってもよい。

　また、本実施の形態において、混合部２ａは、流量特性の異なるソレノイドバルブ２１とＡ／Ｆバルブ２２とを制御できるように構成しているが、図１４に示すように、流量特性が同じ燃料流量調整バルブ２０を２個または３個以上（図面では３個）の複数個設けて制御できるように構成したものであってもよい。この場合、本実施の形態におけるソレノイドバルブ２１と同じように作用する燃料流量調整バルブ２０と、Ａ／Ｆバルブ２２と同じように作用する燃料流量調整バルブ２０とを備えるように構成したものであってもよいし、各燃料流量調整バルブ２０のそれぞれが、本実施の形態におけるソレノイドバルブ２１と同じように作用し、かつ、Ａ／Ｆバルブ２２と同じように作用するように構成したものであってもよい。この場合、燃料流量調整バルブ２０として、具体的には、バタフライ弁やソレノイドバルブなど、この種の燃料ガス制御に使用している各種のバルブを使用することができる。

　なお、上記において、ガスエンジン１は、ストイキ運転とリーン運転とを切り替えることができるように構成されているが、ストイキ運転のみを行うように構成されたガスエンジン１であってもよい。また、ガスエンジン１は、ストイキ運転の空気過剰率を前酸素センサ３１によって検出するようになされているが、この前酸素センサ３１に代えて、全領域センサ（図示省略）を用いてストイキ運転の空気過剰率を検出するようにしたものであってもよい。

　このようにして構成される上記した各ガスエンジン１は、図１５に示すように、ガスヒートポンプ装置４の駆動源として好適に使用することができる。また、このガスエンジン１は、図１６に示すように、コージェネレーション装置５の駆動源としても好適に使用することができる。すなわち、これらの装置は、停止させることなく長期間にわたって運転が行われたり、組成の変化を生じやすいバイオマスを利用して生成した燃料ガスを使用することが多いことから、燃料ガスのカロリー変化を生じやすくなる要素が多い。したがって、これらの装置は、燃料ガスのカロリー変化に対応することができる本発明のガスエンジン１を使用することで、本発明の効果をより一層生かし易くなる。なお、図１５において、ガスヒートポンプ装置４は、ガスエンジン１に２台のコンプレッサー４１が接続されているが、コンプレッサー４１は、１台であってもよいし、３台以上であってもよい。また、図１５において、ガスヒートポンプ装置４は、１台の室外機４２に２台の室内機４３が接続されているが、室内機４３は、１台であってもよいし、３台以上であってもよい。

　また、本実施の形態においては、ガスエンジン１について述べているが、ガスエンジン１の他に、パータベーション制御が行われる各種エンシンに適用するものであってもよい。

　なお、本発明は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形で実施することができる。そのため、上述の実施例はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示すものであって、明細書本文には、なんら拘束されない。さらに、特許請求の範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。

１　ガスエンジン
１０　制御部
１１　シリンダヘッド
１３　排気経路
２　吸気部
２０　燃料流量調整バルブ（第一バルブおよび／まはた第二バルブ）
２１　ソレノイドバルブ（第二バルブ）
２２　Ａ／Ｆバルブ（第一バルブ）
３１　前酸素センサ
３２　後酸素センサ
ａ　出力目標値
ｂ　出力平均値

Claims

　第二バルブよりも応答性が低く燃料流量調整幅が大きい第一バルブと、第一バルブよりも応答性が高く燃料流量調整幅が小さい第二バルブとを具備し、
　第一バルブを所定の開度に開けた状態で、第二バルブを所定の開度からリーン側およびリッチ側に変動させて、当該第二バルブによるパータベーションを行うように構成された制御部を備えており、
　当該制御部は、ガスエンジンの運転状況が一定だとみなされる期間内における実際の運転時に、ガスエンジンの排気経路に設けられた酸素センサから得られる出力の平均値が、当該条件で制御部に設定されている酸素センサの出力目標値から外れている場合に、出力平均値が出力目標値となるように第一バルブの開度を調整するようになされたことを特徴とするガスエンジン。
　制御部は、実際の運転時の第二バルブによるパータベーション制御における最大開度と最小開度とに対応した、酸素センサの最大出力と最小出力とを抽出して出力平均値を算出するものである請求項１記載のガスエンジン。
　制御部は、幅を持たせた出力目標値に収束するように第一バルブの開度を調整するものである請求項１記載のガスエンジン。
　制御部は、幅を持たせた出力目標値に収束するように第一バルブの開度を調整するものである請求項２記載のガスエンジン。
　第一バルブおよび第二バルブは、各シリンダヘッド毎または複数のシリンダヘッダ毎に設けられたことを特徴とする請求項１ないし４の何れか一に記載のガスエンジン。
　第一バルブおよび／または第二バルブが複数設けられたことを特徴とする請求項１ないし４の何れか一に記載のガスエンジン。
　酸素センサは、排気経路の触媒上流側に設けられた前酸素センサとなされた請求項１ないし４の何れか一に記載のガスエンジン。
　酸素センサは、排気経路の触媒下流側に設けられた後酸素センサとなされた請求項１ないし４の何れか一に記載のガスエンジン。
　請求項１ないし４の何れか一に記載のガスエンジンを駆動源とするガスヒートポンプ装置。
　請求項１ないし４の何れか一に記載のガスエンジンを駆動源とするコージェネレーション装置。