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図面 (11)

課題

発電出力を受ける負荷消費電力の変動によってエンジンを制御する。

解決手段

燃料ガスを含む混合気を生成し、該混合気中の燃料ガスの混合比、エンジン4に供給する混合気量を調整する混合気調整手段6、ミキサーと、発電出力を受ける負荷の消費電力を検出する検出手段10、電流測定回路電圧測定回路と、目標回転数毎に消費電力に対応した少なくとも混合気量および混合比を格納した情報テーブル12、混合比テーブルと、目標回転数に必要な混合気量および混合比を混合気調整手段に設定してエンジンを駆動し、情報テーブルを参照して消費電力に対応する混合気量および混合比に更新し、エンジン回転数を目標回転数に制御する制御手段14、プロセッサとを備える。

概要

背景

燃料ガスを用いるガスエンジン駆動源とするガスエンジン発電機では、発電出力がガスエンジンの回転数に依存する。このガスエンジンの回転数は燃料供給量燃料濃度に依存する。燃料供給スロットルによって、また、燃料濃度はニードルによって調整される。

このガスエンジン発電機を備える発電ステムに関し、発電機出力を受ける電力系統電力需要に応じてガスエンジンの燃料を制御し、負荷急変に対してガスエンジンと発電機の慣性エネルギにより追従させ、回転数調整を行うことが知られている(たとえば、引用文献1)。

ガスエンジンには、燃料供給通路メインジェットより上流側で分岐した補助通路にサブジャットを設け、このサブジャットを吸気通路に設けた導入孔からの負圧で作動する負圧制御弁開閉させることが知られている(たとえば、特許文献2)。

概要

発電出力を受ける負荷の消費電力の変動によってエンジンを制御する。燃料ガスを含む混合気を生成し、該混合気中の燃料ガスの混合比、エンジン4に供給する混合気量を調整する混合気調整手段6、ミキサーと、発電出力を受ける負荷の消費電力を検出する検出手段10、電流測定回路電圧測定回路と、目標回転数毎に消費電力に対応した少なくとも混合気量および混合比を格納した情報テーブル12、混合比テーブルと、目標回転数に必要な混合気量および混合比を混合気調整手段に設定してエンジンを駆動し、情報テーブルを参照して消費電力に対応する混合気量および混合比に更新し、エンジン回転数を目標回転数に制御する制御手段14、プロセッサとを備える。

目的

本発明の目的は上記課題に鑑み、発電出力を受ける負荷の消費電力の変動によってエンジンを制御することにある

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
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請求項1

所定周波数に対応するエンジン回転数に制御されるガスエンジン発電機であって、燃料ガスを含む混合気を生成し、該混合気中の前記燃料ガスの混合比、エンジンに供給する混合気量を調整する混合気調整手段と、発電出力を受ける負荷消費電力を検出する検出手段と、目標回転数毎に前記消費電力に対応した少なくとも前記混合気量および前記混合比を格納した情報テーブルと、目標回転数に必要な混合気量および混合比を前記混合気調整手段に設定してエンジンを駆動し、前記情報テーブルを参照して前記消費電力に対応する前記混合気量および前記混合比に更新し、前記エンジンを前記目標回転数に制御する制御手段と、を備えることを特徴とするガスエンジン発電機。

請求項2

前記制御手段は、起動時、無負荷時の目標回転数に必要な前記混合気量および前記混合比により前記エンジンを駆動し、該エンジンの起動後、前記情報テーブルから前記検出手段で検出される前記消費電力に対応する混合気量および混合比を求め、または、該混合気量および該混合比を補完した混合気量および混合比を求め、前記混合気調整手段に設定される前記混合気量および前記混合比を更新することを特徴とする請求項1に記載のガスエンジン発電機。

請求項3

前記情報テーブルは前記混合気量および前記混合比で得られる効率を含み、前記制御手段は、前記効率に応じて前記混合気量および前記混合比を選択することを特徴とする請求項1に記載のガスエンジン発電機。

請求項4

所定周波数に対応するエンジン回転数に制御されるガスエンジン発電機に搭載したコンピュータに実行させるための制御プログラムであって、発電出力を受ける負荷から検出される消費電力情報を受け、燃料ガスを含む混合気を生成し該混合気中の前記燃料ガスの混合比、エンジンに供給する混合気量を調整する混合気調整手段に設定される少なくとも前記混合気量および前記混合比を前記消費電力に対応させて情報テーブルに格納し、目標回転数に必要な混合気量および混合比を前記混合気調整手段に設定してエンジンを駆動し、前記情報テーブルを参照して前記消費電力に対応する前記混合気量および前記混合比に更新し、前記エンジンを前記目標回転数に制御する機能を前記コンピュータで実現するためのガスエンジン発電機の制御プログラム。

請求項5

系統電源周波数に対応するエンジン回転数に制御されるガスエンジン発電機に搭載したコンピュータに実行させるための制御プログラムの実行に用いられる記録媒体であって、燃料ガスを含む混合気を生成し該混合気中の前記燃料ガスの混合比、エンジンに供給する混合気量を調整する混合気調整手段に設定される少なくとも前記混合気量および前記混合比を負荷の消費電力に対応させて格納する情報テーブルが記録されたことを特徴とする記録媒体。

請求項6

所定周波数に対応するエンジン回転数に制御されるガスエンジン発電機の制御方法であって、燃料ガスを含む混合気を生成し該混合気中の前記燃料ガスの混合比、エンジンに供給する混合気量を調整する混合気調整手段に設定される少なくとも前記混合気量および前記混合比を負荷の消費電力に対応させて格納する情報テーブルを作成する工程と、発電出力を受ける前記負荷の消費電力を検出する工程と、目標回転数に必要な混合気量および混合比を前記混合気調整手段に設定してエンジンを駆動し、前記情報テーブルを参照して前記消費電力に対応する前記混合気量および前記混合比に更新し、前記エンジンを前記目標回転数に制御する工程と、を含むことを特徴とするガスエンジン発電機の制御方法。

技術分野

0001

本発明はたとえば、燃料ガスにより駆動するガスエンジン発電機エンジン制御に関する。

背景技術

0002

燃料ガスを用いるガスエンジン駆動源とするガスエンジン発電機では、発電出力がガスエンジンの回転数に依存する。このガスエンジンの回転数は燃料供給量燃料濃度に依存する。燃料供給スロットルによって、また、燃料濃度はニードルによって調整される。

0003

このガスエンジン発電機を備える発電ステムに関し、発電機出力を受ける電力系統電力需要に応じてガスエンジンの燃料を制御し、負荷急変に対してガスエンジンと発電機の慣性エネルギにより追従させ、回転数調整を行うことが知られている(たとえば、引用文献1)。

0004

ガスエンジンには、燃料供給通路メインジェットより上流側で分岐した補助通路にサブジャットを設け、このサブジャットを吸気通路に設けた導入孔からの負圧で作動する負圧制御弁開閉させることが知られている(たとえば、特許文献2)。

先行技術

0005

特開2005−245105号公報
実公平8−2460号公報

発明が解決しようとする課題

0006

ところで、商用電源など系統電源停電時、ガスエンジン発電機の発電出力を系統電源に代わって電力負荷に供給するシステムでは、ガスエンジン発電機に対し電力負荷の増減に発電出力を追従させる制御が行われている。この制御では、負荷の増減変化をガスエンジン発電機に帰還するフィードバック制御が行われており、負荷の増減変化に応じた発電出力が得られ、エンジン回転数を一定に維持することができるが、電力負荷に対応した発電出力を得る追従性はあるものの、即応性に欠けるという課題がある。

0007

このような制御は、電力負荷からガスエンジン発電機に要求される発電出力が予測できる場合であっても、常に制御量を再計算する処理を含む制御では、その分だけ応答性が低下してしまうという課題がある。

0008

そこで、本発明の目的は上記課題に鑑み、発電出力を受ける負荷の消費電力の変動によってエンジンを制御することにある。

課題を解決するための手段

0009

上記目的を達成するため、本発明のガスエンジン発電機の一側面によれば、所定周波数に対応するエンジン回転数に制御されるガスエンジン発電機であって、燃料ガスを含む混合気を生成し、該混合気中の前記燃料ガスの混合比、エンジンに供給する混合気量を調整する混合気調整手段と、発電出力を受ける負荷の消費電力を検出する検出手段と、目標回転数毎に前記消費電力に対応した少なくとも前記混合気量および前記混合比を格納した情報テーブルと、目標回転数に必要な混合気量および混合比を前記混合気調整手段に設定してエンジンを駆動し、前記情報テーブルを参照して前記消費電力に対応する前記混合気量および前記混合比に更新し、前記エンジンを前記目標回転数に制御する制御手段とを備えればよい。

0010

上記ガスエンジン発電機において、前記制御手段は、起動時、無負荷時の目標回転数に必要な前記混合気量および前記混合比により前記エンジンを駆動し、該エンジンの起動後、前記情報テーブルから前記検出手段で検出される前記消費電力に対応する混合気量および混合比を求め、または、該混合気量および該混合比を補完した混合気量および混合比を求め、前記混合気調整手段に設定される前記混合気量および前記混合比を更新してよい。

0011

上記ガスエンジン発電機において、前記情報テーブルは前記混合気量および前記混合比で得られる効率を含み、前記制御手段は、前記効率に応じて前記混合気量および前記混合比を選択してよい。

0012

上記目的を達成するため、本発明のガスエンジン発電機の制御プログラムの一側面によれば、所定周波数に対応するエンジン回転数に制御されるガスエンジン発電機に搭載したコンピュータに実行させるための制御プログラムであって、発電出力を受ける負荷から検出される消費電力情報を受け、燃料ガスを含む混合気を生成し該混合気中の前記燃料ガスの混合比、エンジンに供給する混合気量を調整する混合気調整手段に設定される少なくとも前記混合気量および前記混合比を前記消費電力に対応させて情報テーブルに格納し、目標回転数に必要な混合気量および混合比を前記混合気調整手段に設定してエンジンを駆動し、前記情報テーブルを参照して前記消費電力に対応する前記混合気量および前記混合比に更新し、前記エンジンを前記目標回転数に制御する機能を前記コンピュータで実現すればよい。

0013

上記目的を達成するため、本発明のガスエンジン発電機の記録媒体の一側面によれば、系統電源周波数に対応するエンジン回転数に制御されるガスエンジン発電機に搭載したコンピュータに実行させるための制御プログラムの実行に用いられる記録媒体であって、燃料ガスを含む混合気を生成し該混合気中の前記燃料ガスの混合比、エンジンに供給する混合気量を調整する混合気調整手段に設定される少なくとも前記混合気量および前記混合比を負荷の消費電力に対応させて格納する情報テーブルが記録されてよい。

0014

上記目的を達成するため、本発明のガスエンジン発電機の制御方法の一側面によれば、所定周波数に対応するエンジン回転数に制御されるガスエンジン発電機の制御方法であって、燃料ガスを含む混合気を生成し該混合気中の前記燃料ガスの混合比、エンジンに供給する混合気量を調整する混合気調整手段に設定される少なくとも前記混合気量および前記混合比を負荷の消費電力に対応させて格納する情報テーブルを作成する工程と、発電出力を受ける前記負荷の消費電力を検出する工程と、目標回転数に必要な混合気量および混合比を前記混合気調整手段に設定してエンジンを駆動し、前記情報テーブルを参照して前記消費電力に対応する前記混合気量および前記混合比に更新し、前記エンジンを前記目標回転数に制御する工程とを含めばよい。

発明の効果

0015

本発明によれば、次のような効果が得られる。

0016

(1)発電出力を受ける負荷の消費電力の変動に応じてエンジンに供給される混合気量および混合気の混合比を情報テーブルから読み出して更新し、負荷の消費電力の変動にエンジン制御の応答性を高めることができる。

0017

(2)発電出力を受ける負荷の消費電力の変動に対して発電電力を制御するので、負荷に対して安定した発電出力を供給することができる。

0018

(3)エンジンに供給される混合気量および混合気の混合比が発電出力を受ける負荷の消費電力の変動に応じて調整されるので、混合比を制御するための排気センサーや混合比検出手段が不要である。

0019

(4)エンジンに供給される混合気量および混合気の混合比が発電出力を受ける負荷の消費電力の変動に応じて調整されるので、ガスエンジン発電機自体で交流電源出力制御を実現でき、ガスエンジン発電機にインバータ制御機器の設置を省略できる。

図面の簡単な説明

0020

一実施の形態に係るガスエンジン発電機の一例を示す図である。
エンジン制御の処理手順を示すフローチャートである。
一実施例に係るガスエンジン発電機の一例を示す図である。
ガスエンジン発電機の制御系統の一例を示す図である。
ミキサーおよびミキサー駆動部の一例を示す図である。
回転数の制御系統を示す図である。
混合比テーブルを示す図である。
混合比テーブルの作成に用いられる実測混合比テーブルおよび実測値を表す図である。
他の混合比テーブルの作成に用いられる実測混合比テーブルおよび実測値を表す図である。
回転数制御の処理手順を示すフローチャートである。

0021

図1は、一実施の形態に係るガスエンジン発電機の一例を示している。図に示す構成は一例であり、係る構成に本発明が限定されるものではない。

0022

このガスエンジン発電機2では、系統電源周波数など、所定の周波数fにより目標回転数Nfが設定され、この目標回転数Nfにエンジン回転数Nが制御される。このガスエンジン発電機2には、エンジン4、混合気調整手段6、発電機8、検出手段10、情報テーブル12および制御手段14が備えられる。

0023

エンジン4は燃料ガスGを含む混合気を燃料とするガスエンジンである。混合気調整手段6は、該混合気を燃料ガスGに一例として空気Arを混合して生成し、該混合気中の燃料ガスGの混合比、エンジン4に供給する混合気量を調整する。

0024

発電機8は、エンジン4の回転を受け発電する。系統電源16をたとえば、交流100〔V〕とすれば、発電出力は同様に交流100〔V〕である。この発電出力は、系統電源16の停電時、制御手段14を通じて負荷18に供給される。負荷18は発電出力を受け電力消費する。検出手段10は、負荷18の消費電力を検出し、この検出出力を制御手段14に提供する。

0025

情報テーブル12は、エンジン4の目標回転数Nf毎、負荷18の消費電力に対応した少なくとも混合気量および混合比λを格納している。このエンジン4の制御では、混合気量は主としてスロットルの位置で決定され、混合比λは燃料ガスGと空気Arの比率であり、主としてニードルの位置で決定される。ニードルの位置を変更すると、その分だけ混合気量が変化するが、その変動値を無視すれば、ニードルの位置=混合比λとなる。情報テーブル12には混合気量、混合比λとしてたとえば、スロットルの位置、ニードルの位置および設定される混合比λを格納すればよい。

0026

制御手段14は、エンジン4の目標回転数Nfに必要な混合気量および混合比λを混合気調整手段6に設定してエンジン4を駆動する。その駆動後、制御手段14は情報テーブル12を参照し、混合気調整手段6に設定されている混合気量および混合比を負荷18の消費電力に対応する混合気量および混合比λに更新し、エンジン4を目標回転数Nfに制御する。

0027

このガスエンジン発電機2では、系統電源16の周波数fに対応した目標回転数Nfが設定される。エンジン4の機械角の1回転で発電機8の電気角が2回転するものとすれば、f=50〔Hz〕の場合:Nf1=50×60÷2=1500〔rpm〕、60〔Hz〕の場合:Nf2=60×60÷2=1800〔rpm〕である。

0028

<処理手順>

0029

図2は、ガスエンジン発電機のエンジン制御の処理手順を示している。この処理手順は、本発明のガスエンジン発電機の制御方法または制御プログラムの一例である。

0030

この処理手順には、情報テーブル12の作成(S101)、エンジン4の駆動(S102)、負荷18の消費電力の検出(S103)、混合気量および混合比λの調整(S104)が含まれる。情報テーブル12の作成では、予め、エンジン4の目標回転数Nf1、Nf2毎に消費電力に対応した少なくとも混合気量および混合比λを含む情報テーブル12が作成される。

0031

制御手段14は、無負荷時の混合気量を設定してエンジン4の駆動を開始する(S102)。

0032

エンジン4の駆動後、負荷18の消費電力を取得する(S103)。この消費電力は検出手段10により検出され、たとえば、負荷18の印加電圧負荷電流を検出すればよい。

0033

このエンジン駆動後、情報テーブル12を参照し、混合気調整手段6に設定されている混合気量および混合比λは、負荷18の消費電力に対応する混合気量および混合比λに更新される(S104)。

0034

<一実施の形態の効果>

0035

(1)負荷18の消費電力の増減を検出し、混合気調整手段6に設定される混合気量および混合気の混合比を情報テーブル12から読み出して更新するので、負荷18の消費電力の変動にエンジン制御の応答性が高められる。

0036

(2)負荷18の消費電力の変動に対して発電電力を制御するので、負荷18に対して安定した発電出力を供給できる。

0037

(3)混合気調整手段6に設定される混合気量および混合気の混合比λが負荷18の消費電力の変動に応じて調整されるので、混合比λを制御するための排気センサーや混合比検出手段を不要化できる。

0038

(4)ガスエンジン発電機2で交流電源出力制御を実現でき、ガスエンジン発電機2にインバータ制御機器を設置する必要がない。

0039

<ガスエンジン発電機2>

0040

図3は、ガスエンジン発電機2の一実施例を示している。図に示す構成は一例であり、係る構成に本発明が限定されるものではない。図3において、図1と共通する部分には同一符号を付してある。

0041

このガスエンジン発電機2には筐体20が備えられ、この筐体20にエンジン4、発電機8、バッテリー21、制御ボックス22、吸気部24、排気部26などが備えられている。

0042

エンジン4にはミキサー28、スタータ30、点火部32、クーラント部34が備えられる。スタータ30にはエンジン4の圧縮工程で発生する回転抵抗打ち勝つ強力なトルクを発生させるモータが用いられる。このスタータ30はバッテリー21を電源として回転し、その回転速度はたとえば、50〜300〔rpm〕である。

0043

点火部32は、複数のスパークプラグ36−1、36−2、36−3が備えられ、各スパークプラグ36−1、36−2、36−3にはイグナイタ38が点火コイル40−1、40−2、40−3を介して接続されている。

0044

エンジン4はたとえば、水冷エンジンである。そこで、クーラント部34は、冷却水循環させてエンジン4を冷却する。このクーラント部34にはウォーターポンプ42およびラジエータ44が用いられている。ウォーターポンプ42は冷却水の循環に用いられ、エンジン4の回転力を受けて回転する。ラジエータ44はラジエータファン46の回転により、周囲の空気と循環する冷却水との熱交換を行い、冷却水を放熱させる。冷却水温度温度センサー48−1によって検出される。また、エンジン4にはエンジン4の回転速度を検出する速度センサー48−2、カムの位置を検出するカムポジションセンサー48−3、油圧によってオンオフする油圧スイッチ48−4が備えられる。エンジン4の排気は排気部26にあるマフラ76を通して排気される。

0045

ミキサー28は混合気調整手段6の一例である。このミキサー28には吸気部24から空気Ar、燃料供給部50から燃料ガスGが供給される。この燃料ガスGの供給路52には、電磁弁54−1、54−2およびガスレギュレータ56が備えられる。電磁弁54−1、54−2は燃料ガスGの供給、その停止に用いられる。ガスレギュレータ56は供給される燃料ガスGの圧力を大気圧と同一圧力に調整する圧力調整器ゼロガバナ)であり、ガスレギュレータ56からエンジン4までの間において吸気負圧が作用しない限り、燃料ガスGの供給を阻止し、ミキサー28に対する燃料ガスGの供給を安定化させる。そして、ミキサー28はミキサー駆動部58によって駆動され、このミキサー駆動部58には制御ボックス22から制御信号が付与される。

0046

発電機8はエンジン4の回転を受けて発電し、たとえば、インバータレス発電機である。この発電機8には自動電圧調整器(Automatic Voltage Regulator :AVR)60が備えられる。AVR60は負荷変動や回転数の影響を受けることなく、発電出力を一定電圧に調整する。

0047

制御ボックス22には電気制御ユニット(Electric Control Unit :ECU)62、自動切替スイッチ(Automatic Transfer Switch :ATS)64、操作パネル66などが備えられる。ECU62は電力の授受、エンジン制御、電源切替え、バッテリー充電などの制御を司る。発電機8の発電出力はECU62に入力され、バッテリー21に電力を供給する。

0048

この例では、系統電源16に商用電源68が用いられている。この商用電源68は、サージボックス70、ATS64を介してECU62に給電される。サージボックス70は系統電源16のサージ吸収を行う。ATS64には電磁接触器72および漏電ブレーカ74を介して負荷18が接続されている。ATS64は、商用電源68の停電を検出し、負荷18に対する電力供給の選択について、系統連係時には商用電源68を選択し、停電時に発電機8の発電出力に切り替える。

0049

<ガスエンジン発電機2の制御系統>

0050

図4は、ガスエンジン発電機2の制御系統の一例を示している。

0051

この制御系統には、発電機8、負荷18、制御ボックス22内の機能部、電磁弁54−1、54−2およびエンジンアッシー(ASSY)78が含まれる。エンジンASSY78はエンジン4側にあるセンサー類やミキサー28のミキサー駆動部58をエンジン4と別個ひとつのユニットに構成されている。この例では、温度センサー48−1、速度センサー48−2、カムポジションセンサー48−3、油圧スイッチ48−4、イグナイタ38、イグナイタ制御部80、スロットルモータ82およびニードルモータ84が含まれる。イグナイタ制御部80は、カムポジションセンサー48−3で検出されるカムポジションに応じてイグナイタ38に点火信号を出力する。

0052

ECU62はコンピュータによって構成されている。このECU62ではプロセッサ86、EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory )88、RAM(Random-Access Memory)90、入出力部(I/O)92、電流測定回路94、電圧測定回路96が含まれる。プロセッサ86は記憶手段に格納されているプログラムを実行し、EEPROM88にある情報テーブル12の格納情報によるミキサー28の制御を含む、ガスエンジン発電機2の各種の制御を司る。プログラムの格納にはROM(Read-Only Memory)を用いればよいがEEPROM88を用いてもよい。ROMにはハードディスク半導体メモリなどの記録媒体を用いればよい。

0053

EEPROM88に格納される情報テーブル12には、エンジン回転数に対応したスロットル位置ニードル位置、効率などが記録される。RAM90は、プログラムを展開し、エンジン制御のワークエリアとして用いられる。

0054

I/O92は、電流測定回路94および電圧測定回路96の測定出力の入力、操作パネル66の機能部の入出力、エンジンASSY78の入出力、電磁弁54−1、54−2に対する出力に用いられる。

0055

電流測定回路94および電圧測定回路96は検出手段10の一例である。電流測定回路94は発電機8の発電出力を負荷18に給電する給電線98に備えたカレントトランス94−1、94−2を用いて負荷電流を検出する。この例では、給電線98のR相にカレントトランス94−1、T相にカレントトランス94−2が備えられる。また、電圧測定回路96は発電機8の発電出力を受け、負荷18の印加電圧を検出する。これら検出出力はI/O92に取り込まれ、電流および電圧を負荷情報とし、プロセッサ86は負荷18に消費される消費電力を算出し、スロットル位置およびニードル位置の検索を行う。

0056

操作パネル66には表示部100、運転スイッチ102、非常停止スイッチ104が備えられる。表示部100にはたとえば、LCD(Liquid Crystal Display)が用いられ、制御状況入力情報などが表示される。運転スイッチ102は運転開始に使用し、この運転スイッチ102のオンにより、ECU62の動作が開始される。非常停止スイッチ104は、非常停止の際に操作される。

0057

図5は、ミキサー28およびミキサー駆動部58の一例を示している。この例では、ミキサー28には吸気路106が備えられる。この吸気路106には、空気Arが取り込まれ、該空気量を可変するスロットルバルブ108が回転機構110により回転可能に取り付けられている。この回転機構110にはミキサー駆動部58のスロットルモータ82が連結されている。このスロットルモータ82の回転によって、スロットルバルブ108の開度が調整される。つまり、これが既述のスロットル位置である。

0058

吸気路106のスロットルバルブ108より吸気側には、燃料供給路112が形成されている。この燃料供給路112の中途部にはニードル114が進退機構116により進退可能に取り付けられている。進退機構116にはミキサー駆動部58のニードルモータ84が連結されている。このニードルモータ84の回転によって、ニードル114の位置が調整され、燃料ガスGを噴出させる噴出口部118の開度が調整される。つまり、これが既述のニードル位置である。

0059

係る構成によれば、スロットルバルブ108により空気Arの量が調整され、ニードル114の位置によって燃料ガスGの量が調整されるので、エンジン4に対する混合気Mの供給量および混合比λを調整することができる。

0060

<エンジン4の回転制御

0061

図6は、エンジン4の回転数制御の機能ブロックを示している。

0062

この回転数制御には、エンジン4の回転数Nを設定周波数fに対応する目標回転数Nfに制御するための制御として:
ア)無負荷におけるスロットル位置およびニードル位置を付与するフィードフォワード(FeedForward :FF)制御
イ)負荷18の消費電力、該消費電力に応じたスロットル位置およびニードル位置を更新するFF制御
ウ)実測回転数による回転数補正のためのフィードバック(FeedBack:FB)制御
が含まれる。

0063

図6において、G(s)はスロットル位置およびニードル位置を入力要素とするエンジン4の伝達関数、FFはFF制御の要素、Tsは時定数、Kは係数、120−1、120−2、120−3、120−4は加算器である。FFには、無負荷のスロットル位置およびニードル位置を表すFF値が設定される。これにより、上記ア)のFF制御が行われる。

0064

上記イ)のFF制御を行うため、この制御系には外乱オブザーバ122が用いられている。この外乱オブザーバ122は、負荷18の消費電力の変動、混合比λの調整値、周波数f1またはf2を入力要素とし、外乱制御出力としてスロットル位置およびニードル位置を出力する。この外乱オブザーバ122は、既述のプロセッサ86などのコンピュータによって実現される情報処理手段である。この外乱オブザーバ122には既述の情報テーブル12の一例である混合比テーブル124−1、124−2が用いられる。周波数f1はたとえば、系統周波数の50〔Hz〕、周波数f2はたとえば、系統周波数の60〔Hz〕である。したがって、混合比テーブル124−1は周波数f1(目標回転数Nf=1500〔rpm〕)、混合比テーブル124−2は周波数f2(目標回転数Nf=1800〔rpm〕)に対応する。混合比λの調整値は、標高による気圧の変化や気温、ニードル等の各種部品バラツキによる調整であり、ニードル値に対し設定した割合で増減させる(‐99〜+99%)。

0065

上記ウ)のFB制御を行うため、エンジン4の回転数Nが速度センサー48−2により検出され、この検出値が加算器120−1にフィードバックされる。これにより、P制御、I制御およびD制御を行う。このフィードバックされた回転数Nは、加算器120−1により目標回転数Nfから減算され、両者の偏差値によってスロットル位置の制御が行われる。この制御は加算器120−1から加算器120−4に至る系統で実行される。

0066

このような制御を行うガスエンジン発電機2では、発電出力の周波数fは系統電源16の周波数により決定され、この周波数fはエンジン4の回転数Nに依存する。周波数fに応じて目標回転数Nfが決定され、この目標回転数Nfにエンジン4の回転数Nを制御する。この回転数Nは、ミキサー28のスロットル位置およびニードル位置によって制御される。スロットル位置は混合気量を表し、ニードル位置は燃料濃度を表す。

0067

このエンジン4を駆動源とする発電機2において、負荷18の消費電力が変動してもエンジン4の回転数Nを目標回転数Nfに維持するにはスロットル位置およびニードル位置の調整が必要である。

0068

この回転数制御に影響する変動要因には次のような要素がある。

0069

a.スロットル開度によってエンジン4の回転数Nが変化する。つまり、スロットルバルブ108を開けば、回転速度が上昇し、スロットルを閉じれば回転速度が低下する。回転速度は単位時間当たりの回転数であるから、回転速度の昇降は回転数の増減である。
b.ニードル位置も回転数に影響を及ぼす。
c.負荷18の消費電力が増加すると、エンジン4の回転数Nが低下する。
d.負荷18とエンジン4の回転数Nは、スロットル位置およびニードル位置に依存し、これらの位置は概ね決まっている。
e.負荷18の消費電力は電気的に検出できる。
f.負荷18以外の外乱要素には、負荷18の消費電力を検出するセンサー検出誤差、速度センサーの速度取込み誤差(たとえば、ECU62のクロック誤差)、エンジン4の特性バラツキ、発電機8の特性バラツキ、燃料ガスGのガス圧、標高による大気圧変動、エンジン4の周囲温度などが想定される。

0070

そこで、このエンジン制御では以下の制御を行う。

0071

(1)負荷18の消費電力の変動がエンジン4の回転数Nの変化に現れるので、回転数Nの変化に応じてスロットル位置(開度)の調整を行う。これは、FB制御で行う。

0072

(2)負荷18の消費電力およびその変動は外乱と捉える。この消費電力を直接検出し、外乱ロバスト制御を構成する。この外乱ロバスト制御について、具体的には次の通りとする。
(2-1) 既述のd.を前提とし、無負荷のスロットル位置をFF値で与える。
(2-2) 既述のd.を前提とし、負荷18の消費電力に応じてスロットル位置およびニードル位置を混合比テーブル124−1、または混合比テーブル124−2で与える。

0073

(3)負荷18以外の外乱要素は、加算器120−1,120−2の間のPID(Proportional-Integral-Derivative)制御のI成分に設定する。これにより、ロバスト性を確保する。

0074

(4)負荷18の消費電力は負荷電流と印加電圧の積であるから、これらを個別に測定すれば、回転数Nの直接検出より早く、回転数Nの変動を検知できる。

0075

(5)負荷18の消費電力の変動に対し、応答性の良いガスエンジン発電機2が得られる。

0076

<混合比テーブル124−1、124−2>

0077

このガスエンジン発電機2では一例として2種の混合比テーブル124−1、124−2が用いられている。混合比テーブル124−1は、発電出力の周波数f=50〔Hz〕(エンジン4の目標回転数Nf=1500〔rpm〕)の場合に用いられ、混合比テーブル124−2は、発電出力の周波数f=60〔Hz〕(エンジン4の目標回転数Nf=1800〔rpm〕)の場合に用いられる。

0078

混合比テーブル124−1は、図7のAに示すように、負荷18の消費電力〔kW〕に対応するスロットル位置およびニードル位置が格納されている。混合比テーブル124−2にも、図7のBに示すように負荷18の消費電力〔kW〕に対応するスロットル位置およびニードル位置が格納されている。これら混合比テーブル124−1、124−2はEEPROM88(図4)や、プロセッサ86に内蔵されているFLASHメモリ(図示せず)などに格納されている。

0079

混合比テーブル124−1の各値は実測混合比テーブル126−1(図8のA)、混合比テーブル124−2の各値は実測混合比テーブル126−2(図9のA)から求められている。混合比テーブル124−1、124−2における各スロットル位置は、実測混合比テーブル126−1、126−2のスロットル位置から負荷18の消費電力=0の場合のスロットル位置の値を減算したものである。

0080

<外乱オブザーバ122の処理>

0081

混合比テーブル124−1、124−2を用いた外乱オブザーバ122では次のような処理を行う。

0082

発電出力の周波数fがf=50〔Hz〕であれば目標回転数Nf=1500〔rpm〕である混合比テーブル124−1が選択される。また、発電出力の周波数fがf=60〔Hz〕であれば目標回転数Nf=1800〔rpm〕である混合比テーブル124−2が選択される。

0083

この例では、目標回転数Nf=1500〔rpm〕、1800〔rpm〕を例示したが、これ以外であれば、その周波数設定に従えばよい。

0084

負荷18の消費電力を観測し、たとえば、混合比テーブル124−1からニードル位置およびスロットル位置を検索する。この検索により求められたニードル位置に、混合比調整数を足し、ニードル位置を調整する。負荷18の消費電力の値について、各値の中間値はその前後値から直線補完をして算出すればよい。

0085

スロットル位置はPID制御にて自動的に調整される。このような調整形態をとれば、緩やかで好ましい応答性が得られる。つまり、PID制御出力はバラツキ吸収に用いられており、PID制御出力=0が望ましい。この場合、FF値や外乱ロバスト制御を重視し、P制御は小さく、I制御も弱く入れればよい。

0086

<混合比テーブル124−1、124−2の作成処理

0087

混合比テーブル124−1、124−2の各値はガスエンジン発電機2を起動し、その実測値から実測混合比テーブル126−1(図8のA)、126−2(図9のA)を作成して求める。

0088

図8のAは、f=50〔Hz〕、Nf=1500〔rpm〕の場合の実測混合比テーブル126−1を示している。

0089

この実測混合比テーブル126−1は、エンジン4を起動し、負荷18の消費電力の値を変化させ、効率ηが最もよい値となるスロットル位置、ニードル位置および混合比λを求め、作成する。

0090

これらの値をグラフにすると、図8のBに示すように、出力〔kW〕に対して一様な効率を得るためには、直線的な変化ではなく、不規則な値となることが分かる。したがって、これら実測値からエンジン回転数が不安定にならない範囲で効率ηの良い値となるスロットル位置およびニードル位置を求め、図7のAに示す混合比テーブル124−1を作成する。

0091

図9のAは、f=60〔Hz〕、Nf=1800〔rpm〕の場合の実測混合比テーブル126−2を示している。

0092

この実測混合比テーブル126−2は同様にエンジン4を起動し、負荷18の消費電力の値を変化させ、効率ηが最もよい値となるスロットル位置、ニードル位置および混合比λを求め、作成する。

0093

これらの値をグラフにすると、図9のBに示すように、出力〔kW〕に対して一様な効率を得るためには、直線的な変化ではなく、不規則な値となることは図8のBと同様である。しかしながら、図9のBと図8のBの比較から明らかなように、混合比λの値は目標回転数Nfが異なると、全く異なる態様となっている。したがって、これら実測値からエンジン回転数が不安定にならない範囲で効率ηの良い値となるスロットル位置およびニードル位置を求め、図7のBに示す混合比テーブル124−2を作成する。

0094

これら実測混合比テーブル126−1、126−2において、負荷=0の欄の値を比較すれば、目標回転数Nfとスロットル位置とは比例関係にないことが分かる。目標回転数Nfが高ければ、エンジン4の負圧が大きくなり、スロットルを絞っても空気量が大きくなり、スロットル位置と回転数の関係が直線的にはならない。

0095

<エンジン制御の処理手順>

0096

図10は、エンジン制御の処理手順を示している。この処理手順は、本発明のガスエンジン発電機の制御プログラム、その制御方法の一例である。

0097

この処理手順では、FF値に無負荷時のスロットル位置およびニードル位置を設定し、エンジン4を起動する(S201)。

0098

エンジン4の起動後、負荷18の消費電力を検出する(S202)。この消費電力の検出は、負荷18の印加電圧および負荷電流を測定し、演算すればよい。

0099

この消費電力の検出の後、その値を用いて混合比テーブル124−1(または混合比テーブル124−2)を参照し、負荷18の消費電力に対応したスロットル位置およびニードル位置を取得する(S203)。

0100

混合比テーブル124−1(または混合比テーブル124−2)から取得したスロットル位置およびニードル位置にミキサー28のスロットル位置およびニードル位置を更新する(S204)。

0101

そして、エンジン4の回転数Nを検出し(S205)、この回転数Nと目標回転数Nfを用いて回転数Nを補正する(S206)。以下、同様にS202〜S206の処理をエンジン4の回転が維持されている限り、継続して実行する。これにより、回転数Nを目標回転数Nfに制御することができる。

0102

<実施例の効果>

0103

上記実施例によれば、上記一実施の形態の効果に加え、次のような効果が得られる。

0104

(1)目標回転数Nfが得られる無負荷時のスロットル位置およびニードル位置をミキサー28に設定し、目標回転数Nfで起動するので、エンジン回転数を迅速に目標回転数に到達させることができる。この場合、無負荷時のスロットル位置およびニードル位置は、混合比テーブル124−1または混合比テーブル124−2を参照すればよい。

0105

(2)負荷18の消費電力の増減に即応してエンジン回転数を混合比テーブル124−1または混合比テーブル124−2から求めたスロットル位置およびニードル位置にミキサー28の設定値を更新するので、迅速なエンジン回転の制御を行うことができる。

0106

(3)負荷18の消費電力の増減に応じて発電機8の出力を追従させて負荷18側の増減変化を吸収でき、負荷18に対して安定した発電出力を提供できる。

0107

(4) 予めスロットル位置およびニードル位置の値を最も効率の良い値に設定でき、効率的なエンジン制御および回転制御を行うことができる。

0108

(5) 種々の系統周波数に対応させることができ、制御性の高いエンジン制御を実現することができる。

0109

(6)消費電力に対応する値が混合比テーブル124−1または混合比テーブル124−2にない場合には、消費電力に近い値を挟んで最も近い2つの値を選択し、これらの値から補完演算を行えば、混合比テーブル124−1または混合比テーブル124−2の不足を迅速に補充でき、安定したエンジン制御を実現することができる。

0110

〔他の実施の形態〕

0111

a.上記実施の形態では、ガスエンジン発電機を例示したが、ガスエンジンの制御に発電機を利用してエンジンの回転制御を行うことができ、本発明は、上記実施例に限定されるものではない。
b.上記実施の形態では、電圧および電流を測定して消費電力を検出しているが、負荷電流のみを用いて消費電力としてもよい。

実施例

0112

以上説明したように、本発明の最も好ましい実施形態等について説明した。本発明は、上記記載に限定されるものではない。特許請求の範囲に記載され、または明細書に開示された発明の要旨に基づき、当業者において様々な変形や変更が可能である。斯かる変形や変更が、本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。

0113

本発明は、燃料ガスを用いるガスエンジン発電機のエンジン制御を効率的に行うことができ、負荷の消費電力を利用し、この消費電力に対応する混合気ミキサーのスロットル位置およびニードル位置を情報テーブル化して利用するので、迅速な応答性を実現でき、有用である。

0114

2ガスエンジン発電機
4エンジン
6混合気調整手段
8発電機
10 検出手段
12 情報テーブル
14 制御手段
16系統電源
18負荷
20筐体
21バッテリー
22制御ボックス
24吸気部
26排気部
28ミキサー
30スタータ
32点火部
34クーラント部
36−1、36−2、36−3スパークプラグ
38イグナイタ
40−1、40−2、40−3点火コイル
42ウォーターポンプ
44ラジエータ
46ラジエータファン
48−1温度センサー
48−2速度センサー
48−3カムポジションセンサー
48−4油圧スイッチ
50燃料供給部
52供給路
54−1、54−2電磁弁
56ガスレギュレータ
58 ミキサー駆動部
60 AVR
62 ECU
64ATS
66操作パネル
68商用電源
70サージボックス
72電磁接触器
74漏電ブレーカ
76マフラ
78 エンジンASSY
80 イグナイタ制御部
82スロットルモータ
84ニードルモータ
86プロセッサ
88 EEPROM
90 RAM
92 I/O
94電流測定回路
94−1、94−2カレントトランス
96電圧測定回路
98給電線
100 表示部
102運転スイッチ
104非常停止スイッチ
106吸気路
108スロットルバルブ
110回転機構
112燃料供給路
114 ニードル
116進退機構
118噴出口部
120−1、120−2、120−3、120−4加算器
122外乱オブザーバ
124−1、124−2 混合比テーブル
126−1、126−2 実測混合比テーブル

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