JP5409240B2

JP5409240B2 - 内燃機関の保護装置及び方法

Info

Publication number: JP5409240B2
Application number: JP2009228076A
Authority: JP
Inventors: 泰宏佐伯
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2009-09-30
Filing date: 2009-09-30
Publication date: 2014-02-05
Anticipated expiration: 2029-09-30
Also published as: JP2011074851A

Description

本発明は、内燃機関の保護装置及び方法に関するものであり、特に、排気温度の急激な上昇があっても内燃機関や排気系統を保護することが可能な内燃機関の保護装置及び方法に関するものである。

エンジンの排ガス浄化や燃焼効率の多寡、さらにはエンジンの状態を示す指標として、排気温度が知られている。エンジンを搭載した車両等の走行中における排気温度の異常変化、特に排気温度の異常上昇は、エンジンの異常燃焼や排気系統の重大な異常を意味している。そのため、従来より多くの車両等に排気温度計が設けられ、排気温度が規定の警報設定値以上に上昇すると警報を発し、さらに上昇して規定のトリップ設定値まで上昇するとエンジンをトリップ（機関停止）させて、エンジンや排気系統の保護を図っている。

図５は従来の排気温度を用いたエンジンの保護装置のフローチャートである。
処理が開始されると、ステップＳ１０１で排気温度を検出する。
ステップＳ１０１で排気温度が検出されると、ステップＳ１０２で前記排気温度が規定のトリップ設定値より高いか否か判断する。ステップＳ１０２でＮｏ、即ち排気温度がトリップ設定値よりも低い場合にはステップＳ１０１に戻る。ステップＳ１０２でＹｅｓ、即ち排気温度がトリップ設定値よりも高い場合にはステップＳ１０３に進む。
ステップＳ１０３で規定のディレイ時間が経過するとステップＳ１０４に進み、ステップＳ１０４で再度排気温度を検出し、ステップＳ１０５でステップＳ１０４で検出した排気温度がトリップ設定値よりも高いか否か判断する。
ステップＳ１０５でＮｏ、即ち排気温度がトリップ設定値よりも低い場合にはステップＳ１０１に戻る。ステップＳ１０５でＹｅｓ、即ち排気温度がトリップ設定値よりも高い場合にはステップＳ１０６に進む。
ステップＳ１０６ではトリップ指令が発せられ、排気を生じているエンジンを停止する。
なお、ステップＳ１０２からステップＳ１０５に変えて、排気温度がトリップ設定値よりも高い状態がステップＳ１０３のディレイ時間に相当する一定時間継続するか否かを判断し、継続する場合にステップＳ１０６に進んでトリップ指令が発せられ、継続しない場合にステップＳ１０１に戻るようなフローとすることもある。

また、別の排気温度を用いたエンジンの保護装置に係る技術として、特許文献１には排気温度が第１の所定温度Ｔ_ｍａｘに達した時に、排気温度の変化率に応じて、排気系部品（エキマニ）が耐熱許容温度Ｔ_ｅｍに達するまでのディレイ時間を設定し、該ディレイ時間経過後に排気温度を低下させるべく燃料増量を行う技術が開示されている。

特開２００８−５１０９２号公報

しかしながら、図５のフローチャートに示した従来のエンジンの保護装置では、排気温度が急激に上昇した場合であっても、緩やかに上昇した場合であっても、排気温度が一定のトリップ設定値よりも高いか否かのみをトリップの判断基準としている。そのため、排気温度が急激に上昇する場合においては、排気温度がトリップ設定値に到達し、トリップ指令が発せられる頃にはエンジンや例えば排気弁座や排気弁棒などの排気系の部品が損傷する可能性もある。

また、特許文献１に開示された技術は、排気温度の変化率に応じて、排気温度が所定温度Ｔ_ｍａｘに達してから排気温度を低下させるべく燃料増量を行うまでのディレイ時間を変化させるものであって、排気を排出するエンジンなどの機器をトリップに至らしめるものではない。そのため、排気温度が特に急激に上昇する場合には、前記燃料増量だけでは排気温度が十分に低下しない可能性がある。

従って、本発明はかかる従来技術の問題に鑑み、排気温度が急激に上昇する場合であってもエンジンや排気系統の機器を確実に保護することができる内燃機関の保護装置及び方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための装置発明として、排気温度に基づいて異常を検出し、出力軸が発電機に連結される内燃機関を保護する内燃機関の保護装置において、内燃機関の排気温度を検出する排気温度検出手段と、前記排気温度検出手段によって検出された排気温度の移動平均に基づいて、前記排気温度の所定時間単位の変化率を算出する変化率算出手段と、前記変化率に対応させ、変化率が大きいほどトリップ値を低く設定するトリップ値設定手段と、前記排気温度がトリップ値設定手段により設定されたトリップ値よりも高いときに、燃料供給を停止させる停止手段と、を備え、前記内燃機関が多気筒エンジンであり、前記排気温度検出手段は、前記多気筒夫々に設けられて、各気筒毎に排気温度を検出するものであり、前記トリップ値設定手段は、前記気筒毎の前記変化率に対応させてトリップ値を設定するものであり、前記停止手段は、トリップ値よりも高い排気温度を検出した気筒のみ休止させ、該気筒への燃料供給を停止させることを特徴とする。
また、上記課題を解決するための方法発明として、排気温度に基づいて異常を検出し、出力軸が発電機に連結される内燃機関を保護する内燃機関の保護方法において、前記内燃機関が多気筒エンジンであり、前記排気温度の移動平均に基づいて、内燃機関の各気筒毎の排気温度の所定時間単位の変化率を算出し、前記気筒毎の変化率に対応させて、変化率が大きいほど低いトリップ値を設定し、前記排気温度が前記トリップ値よりも高いときに、前記トリップ値よりも高い排気温度を検出した気筒のみ休止させ、該気筒への燃料供給を停止させることを特徴とする。
ここで、トリップ値とは、内燃機関を保護するために燃料供給を停止させる境界温度のことをいう。即ち、排気温度がトリップ値を超えると、内燃機関を保護するために燃料供給を停止させる。

上記装置発明及び方法発明によれば、排気温度の変化率に対応させて、該変化率が大きいほどトリップ値が低くなるようにトリップ値を設定するため、排気温度の変化率が大きく排気温度が急激に上昇する場合には低い温度で、即ち早期に燃料供給を停止に至らしめる。そのため、排気温度が急激に上昇する場合であっても、早期に燃料供給を停止させるため、エンジンや排気系統を確実に保護することができる。

また、本発明において好ましくは、前記内燃機関が多気筒エンジンであり、前記排気温度検出手段は、前記多気筒夫々に設けられて、各気筒毎に排気温度を検出するものであり、前記トリップ値設定手段は、前記気筒毎の前記変化率に対応させてトリップ値を設定するものであり、前記停止手段は、トリップ値よりも高い排気温度を検出した気筒のみ休止させ、該気筒への燃料供給を停止させるとよい。
方法発明においては、前記内燃機関が多気筒エンジンであり、前記気筒毎に排気温度の所定時間単位の変化率を算出し、前記気筒毎に前記変化率に対応させてトリップ値を設定し、前記排気温度が前記トリップ値よりも高いときに、トリップ値よりも高い排気温度を検出した気筒のみ休止させ、該気筒への燃料供給を停止させるとよい。

特に船舶用エンジンなど運転中にエンジン自体を停止させることができない場合、トリップ値よりも高い排気温度を検出した気筒のみ休止させることで、エンジンや排気系統を保護することが可能である。この場合、制御系統は複雑になるが、トリップ値よりも高い排気温度を検出した気筒が存在しても運転を継続することができるという利点がある。

また、前記内燃機関が単筒又は多気筒エンジンであり、前記排気温度検出手段は、前記気筒毎に設けられて、各気筒毎に排気温度を検出するものであり、前記トリップ値設定手段は、前記気筒毎の前記変化率に対応させてトリップ値を設定するものであり、前記停止手段は、トリップ値よりも高い排気温度を検出した気筒が存在した場合に、前記エンジンを停止して前記気筒への燃料供給を停止させるとよい。
方法発明においては、前記内燃機関が単筒又は多気筒エンジンであり、前記排気温度の移動平均に基づいて、前記気筒毎に排気温度の所定時間単位の変化率を算出し、前記気筒毎に前記変化率に対応させてトリップ値を設定し、前記排気温度が前記トリップ値よりも高い排気温度を検出した気筒が存在した場合に、前記エンジンを停止して前記気筒への燃料供給を停止させるとよい。

例えば車両用エンジンなど運転中にエンジン自体を停止することが可能である場合、トリップ値よりも高い排気温度を検出した気筒が存在した場合に、エンジンを停止させることで、エンジンや排気系統を保護することが可能である。この場合、トリップ値よりも高い排気温度を検出した気筒が存在すると運転を継続することができなくなるが、エンジンや排気系統の保護はより確実なものであり、しかも制御系統が簡単であるという利点がある。

以上記載のごとく本発明によれば、排気温度が急激に上昇する場合であってもエンジンや排気系統の機器を確実に保護することができる内燃機関の排気制御方法及び装置を提供することができる。

本発明の内燃機関の排気制御装置が使用されるガスエンジンシステムの全体構成図である。実施例における排気温度を用いたエンジンや排気系統の保護を行う制御ルーチンのフローチャートである。実施例における排気温度の時間変化を概略的に示したグラフである。比較例における排気温度の時間変化を概略的に示したグラフである。従来の排気温度を用いたエンジンの保護装置のフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

図１は、本実施例の内燃機関の排気制御装置が使用されるガスエンジンシステムの全体構成図である。
図１を参照して、本実施例に係るガスエンジンシステムの全体構成について説明する。
図１において、１はエンジン（ガスエンジン）、４はエンジン１のシリンダヘッドであり、１３はエンジン１に直結駆動される発電機、１４はフライホイールである。各シリンダヘッド４の排気出口には排気管５が接続されており、各排気管５は排気集合管６に接続されている。各排気管５には各排気管中の排気温度を検出する排気管温度センサ５１が設けられており、排気管温度センサ５１の検出値は制御装置５２に入力される。

７は排気タービン７ａ及びコンプレッサ７ｂからなる過給機である。３は各シリンダヘッド４の給気入口に接続される給気枝管であり、コンプレッサ７ｂの給気出口と各給気枝管３とは給気管２で接続されており、給気管２の経路上には給気管２を流れる給気を冷却する給気冷却器９が設けられている。また、排気タービン７ａには、排気ガス出口からの排気ガスを排出するための排気出口管１１０が設けられている。

１１は排気バイパス管であり、排気集合管６の排気タービン７ａ入口側から分岐されて排気タービン７ａをバイパスし、排気タービン７ａ出口側の排気出口管１１０に接続されている。排気バイパス管１１には通路面積を変化せしめる排気バイパス弁１２が設けられている。
１０ａは外部から空気を過給機７のコンプレッサ７ｂに導入するための過給機入口空気通路であり、１０は過給機入口空気通路１０ａに設置されたミキサである。

２１は燃料ガスを収容する燃料ガスタンク（不図示）から燃料ガスが導入されるガス供給管で、ガス供給管２１から過給機側ガス供給管２１１とシリンダ側ガス供給管２１２とが分岐されている。
過給機側ガス供給管２１１は、過給機入口空気通路１０ａに設置されたミキサ１０に接続されており、過給機側ガス供給管２１１への燃料ガス流量をＯＮＯＦＦ制御する過給機側ガス量調整弁（ガス供給弁）１９が設けられている。
シリンダ側ガス供給管２１２は途中でシリンダ毎に分岐されガス供給枝管２１３となって各給気枝管３に接続されている。シリンダ側ガス供給管２１２には、流れる燃料ガスを圧縮するガスコンプレッサ１８が設けられており、各給気枝管２１３には、通路面積即ち燃料ガス流量を制御するシリンダ側ガス量調整弁（燃料流量制御弁）２０が設けられている。

かかるガスエンジンの運転時において、ガス供給管２１からの燃料ガスはガス供給管２１の途中で分岐される。そして分岐された燃料ガスの一方は過給機側ガス供給管２１１を通ってミキサ１０に導入され、ミキサ１０において過給機空気入口通路１０ａからの空気と混合されこの混合気は過給機７のコンプレッサ７ｂに導入される。コンプレッサ７ｂで高温、高圧に加圧された混合気は給気冷却器９で冷却されて降温し、給気管２を通って各シリンダの給気枝管３内に流入する。
また分岐された燃料ガスの他方はシリンダ側ガス供給管２１２に入り、ガスコンプレッサ１８で圧縮されて、各シリンダの各ガス供給枝管２１３を通り、前記各給気枝管３に入り、給気枝管３内の前記混合気に混入されて各シリンダ内に送り込まれる。

そして、エンジン１の各シリンダからの排気ガスは排気管５を通って排気集合管６で合流され、過給機７の排気タービン７ａに供給されて排気タービン７ａを駆動した後、排気出口管１１０を通って外部に排出される。
また、排気バイパス弁１２が開かれると、排気集合管６内の排気ガスの一部は前記排気タービン７ａをバイパスして排気出口管１１０に排出される。

以上のような構成のガスエンジンシステムにおける排気温度を用いたエンジンや排気系統の保護について図１及び図２を用いて説明する。
図２は、実施例における排気温度を用いたエンジンの保護装置のフローチャートである。

処理が開始されると、ステップＳ１で排気温度を経時的に検出する。ステップＳ１における排気温度の検出は各排気管５ごとに設けた排気管温度センサ５１それぞれで行う。即ち各排気管個別に排気管温度を検出する。

ステップＳ１で排気温度が検出されると、ステップＳ２で、制御装置５２に入力された排気温度の移動平均を算出する。前記移動平均の算出は各排気管個別に算出する。前記移動平均値は、排気温度の瞬間的な変化の影響がほとんどなくなる程度に平滑化できた値を求めることができればよく、５００ｍｓｅｃ〜１ｓｅｃ程度の間の移動平均を求めればよい。

ステップＳ２で各排気管個別の排気温度の移動平均値が求められると、ステップＳ３及びステップＳ４に進む。

ステップＳ３では、蓄積されているデータの中から、１０秒前の移動平均値を取り出す。

ステップＳ４では、ステップＳ２における移動平均値とステップＳ３における移動平均値の差を求める。ステップＳ２における移動平均値は最新の移動平均値、ステップＳ３における移動平均値は最新の１０秒前の移動平均値であるため、ステップＳ２における移動平均値とステップＳ３における移動平均値との差は、最新の排気の温度移動平均値と１０秒前の排気温度の移動平均値の差ということになる。前記差が求まると、該差を用いて１０秒間での排気温度の上昇率（℃／１０秒）を求める。

ステップＳ４で排気温度の上昇率が求まると、ステップＳ５に進む。
ステップＳ５では前記上昇率が２００℃／１０秒より大きいか否か判断する。ステップＳ５でＹｅｓであれば、ステップＳ６でトリップ設定値を５５０℃に設定する。ステップＳ５でＮｏであればステップＳ７に進む。

ステップＳ７では前記上昇率が１００℃／１０秒より大きいか否か判断する。ステップＳ７でＹｅｓであれば、ステップＳ８でトリップ設定値を５６０℃に設定する。ステップＳ７でＮｏであればステップＳ９に進む。

ステップＳ９では前記上昇率が５０℃／１０秒より大きいか否か判断する。ステップＳ９でＹｅｓであれば、ステップＳ１０でトリップ設定値を５７０℃に設定する。ステップＳ９でＮｏであればステップＳ１１でトリップ設定値を５８０℃に設定する。

つまりステップＳ５〜ステップＳ１１においては、前記上昇率に応じてトリップ設定値を決定し、前記上昇率が大きいほどトリップ設定値を低く設定している。

ステップＳ６、ステップＳ８、ステップＳ１０又はステップＳ１１の何れかでトリップ設定値が決定されると、ステップＳ１２に進む。

ステップＳ１２では、排気温度がステップＳ６、Ｓ８、Ｓ１０又はＳ１１の何れかで決定されたトリップ設定値より高いか否か判断する。ここでステップＳ１２における判断に用いる排気温度は、最新の移動平均データ即ちステップＳ２における移動平均値である。

ステップＳ１２でＮｏ、即ち排気温度がトリップ設定値よりも低い場合にはステップＳ１に戻る。ステップＳ１２でＹｅｓ、即ち排気温度がトリップ設定値よりも高い場合にはステップＳ１３に進む。

ステップＳ１３で規定のディレイ時間が経過するとステップＳ１４に進み、ステップＳ１４で再度排気温度を検出し、ステップＳ１５でステップＳ１４で検出した排気温度がトリップ設定値よりも高いか否か判断する。
ステップＳ１５でＮｏ、即ち排気温度がトリップ設定値よりも低い場合にはステップＳ１に戻る。ステップＳ１５でＹｅｓ、即ち排気温度がトリップ設定値よりも高い場合にはステップＳ１６に進む。

ステップＳ１６ではトリップ指令が発せられ、排気が生じるエンジン１を停止する。
なお、ステップＳ１２〜ステップＳ１５に変えて、排気温度がトリップ設定値よりも高い状態がステップＳ１３のディレイ時間に相当する一定時間継続するか否かを判断し、継続する場合にトリップ指令が発せられ、継続しない場合にステップＳ１１に戻るようなフローとすることもできる。

図３は実施例１における排気温度の時間変化を概略的に示したグラフである。図３における縦軸は排気温度、横軸は時間を表している。
図３における左側に示したグラフは、排気温度の上昇率が５０℃／１０秒以下である場合の排気温度の時間変化を示している。即ち図２に示したフローチャートでステップＳ４→ステップＳ５→ステップＳ７→ステップＳ９→ステップＳ１１→ステップＳ１２と進んだ場合の排気温度の時間変化を示している。
この場合、図２のフローチャートのステップＳ１１でトリップ設定値が５８０℃に設定されており、排気温度５８０℃でエンジン１がトリップにより停止し、排気温度が低下する。

また、図３における右側に示したグラフは、排気温度の上昇率Ｉが２００℃／１０秒より大きい場合の排気温度の時間変化を示している。即ち図２に示したフローチャートでステップＳ４→ステップＳ５→ステップＳ６→ステップＳ１２と進んだ場合の排気温度の時間変化を示している。
この場合、図２のフローチャートのステップＳ６でトリップ設定値が５５０℃に設定されており、排気温度５５０℃でエンジン１がトリップにより停止し、排気温度が低下する。

本発明によれば、排気温度の上昇率によってトリップ温度を変えるため、例えば図３に示したように排気温度の上昇率が大きい場合には低い温度で、即ち早期にエンジンをトリップにより停止に至らしめる。そのため、排気温度が急激に上昇する場合であっても、早期にエンジンをトリップにより停止させるため、エンジンや排気系統を確実に保護することができる。

なお、本実施例においてはガスエンジンを例示して説明したが、排気を排出する内燃機関であればガスエンジンに限られるものではなく、例えばディーゼルエンジンなどにも本発明の技術を適用することができる。

また、本実施例においてはトリップ設定値においてエンジンをトリップにより停止させているが、例えば多気筒エンジンにおいては、排気温度がトリップ設定値に達した気筒のみ休止させるように制御することもできる。特に船舶用エンジンなどエンジンをトリップにより停止させることができないエンジンにおいては、このように排気温度がトリップ設定値に達した気筒のみ休止させるように制御する必要がある。

（比較例）
図４は比較例における排気温度の時間変化を概略的に示したグラフである。図３における縦軸は排気温度、横軸は時間を表している。
図４においては、図５における従来のフローチャートに従って排気温度を制御した場合における排気温度の時間変化を概略的に示したグラフである。
図４における左側に示したグラフは、排気温度の上昇率が５０℃／１０秒以下である場合、即ち温度上昇が緩やかである場合の排気温度の時間変化を示したグラフであり、図４における右側に示したグラフは、排気温度の上昇率が２００℃／１０秒より大きい場合、即ち温度上昇が急激である場合の排気温度の時間変化を示したグラフである。
何れの場合も、規定のトリップ温度（例えば５８０℃）でエンジン１がトリップにより停止し、排気温度が低下する。

この場合、排気温度が急激に上昇した場合であっても、緩やかに上昇した場合であっても、排気温度が一定のトリップ設定値よりも高いか否かのみをトリップの判断基準としている。そのため、図４に示した右側のグラフのように排気温度が急激に上昇するような場合においては、排気温度がトリップ設定値に到達し、トリップ指令が発せられる頃にはエンジンや例えば排気弁座や排気弁棒などの排気系の部品が損傷する可能性もある。

排気温度が急激に上昇する場合であってもエンジンや排気系統の機器を確実に保護することができる内燃機関の保護方法及び装置として利用することができる。

１ガスエンジン
２給気管
３給気枝管
６排気集合管
７過給機
７ａ排気タービン
７ｂコンプレッサ
１０ａ過給機入口空気通路
１３発電機
１５回転数センサ
１８ガスコンプレッサ
１９過給機側ガス量調整弁
２０シリンダ側ガス量調整弁
２１ガス供給管
５１排気管温度センサ
５２制御装置

Claims

排気温度に基づいて異常を検出し、出力軸が発電機に連結される内燃機関を保護する内燃機関の保護装置において、
内燃機関の排気温度を検出する排気温度検出手段と、
前記排気温度検出手段によって検出された排気温度の移動平均に基づいて、前記排気温度の所定時間単位の変化率を算出する変化率算出手段と、
前記変化率に対応させ、変化率が大きいほどトリップ値を低く設定するトリップ値設定手段と、
前記排気温度がトリップ値設定手段により設定されたトリップ値よりも高いときに、燃料供給を停止させる停止手段と、
を備え、
前記内燃機関が多気筒エンジンであり、
前記排気温度検出手段は、前記多気筒夫々に設けられて、各気筒毎に排気温度を検出するものであり、
前記トリップ値設定手段は、前記気筒毎の前記変化率に対応させてトリップ値を設定するものであり、
前記停止手段は、トリップ値よりも高い排気温度を検出した気筒のみ休止させ、該気筒への燃料供給を停止させることを特徴とする内燃機関の保護装置。
排気温度に基づいて異常を検出し、出力軸が発電機に連結される内燃機関を保護する内燃機関の保護方法において、
前記内燃機関が多気筒エンジンであり、
前記排気温度の移動平均に基づいて、内燃機関の各気筒毎の排気温度の所定時間単位の変化率を算出し、
前記気筒毎の変化率に対応させて、変化率が大きいほど低いトリップ値を設定し、
前記排気温度が前記トリップ値よりも高いときに、前記トリップ値よりも高い排気温度を検出した気筒のみ休止させ、該気筒への燃料供給を停止させることを特徴とする内燃機関の保護方法。