バイオマスガス燃料対応エンジンの計測制御システム

Author(s):
東京大学大学院 工学系研究科 機械工学専攻 金子研究室 - 戸松 豪氏

Industry:
University/Education

Products:
Data Acquisition, LabVIEW, PXI/CompactPCI

The Challenge:
エンジン運転実験において、計測信号の同期、および実験中の機器操作の効率化の2点が実験システム構築の際に主な課題となる。

The Solution:
課題をクリアするため、エンジン計測装置および模擬バイオマスガス燃料生成装置の各入出力をそれぞれNIベースのシステムとして一元化し、エンジン計測制御システムおよび模擬バイオマスガス燃料生成システムを構築した。いずれもソフトウェアの開発にはLabVIEW 7.0を用いた。 　

背景
近年、環境問題やエネルギー問題の観点から、バイオマス資源の利用促進が求められている。そこで本研究では、バイオマス資源の利用法の一つとして、バイオマスガス燃料対応エンジンの開発を目的とした研究を行っている。

バイオマスガスとは有機物の発酵や熱分解などにより生成されるガスであり、メタン（CH4）、水素（H2）、一酸化炭素（CO）などの可燃性ガスと二酸化炭素（CO2）、窒素（N2）などの不燃性ガスが混合したガスである。その混合割合は、原料となるバイオマス資源の種類やガス化方式などにより異なるうえ、ガス化炉の
温度などの変化に伴って時々刻々変化する。またバイオマスガスは一般に利用されないような低発熱量ガス（H2，CO）や不燃ガス（CO2，N2）を多く含むため都市ガスなどと比べて発熱量が小さい。これらのことがエンジンを運転する際の問題となる。

このようなバイオマスガス燃料に対応したエンジンを開発するためには、燃料の発熱量や燃料中のガス成分の差異がエンジンの運転状態に及ぼす影響を正しく把握することが必要である。そこで本研究では、バイオマスガス燃料対応エンジン開発の第一段階として、複数のガス成分を任意の割合で混合した模擬バイオマスガス燃料を用いてのエンジン運転実験により、模擬バイオマスガス燃料の燃焼特性解析を行っている。

課題
　まず、実験用のエンジン計測制御装置の概念図を図1（a）に、模擬バイオマスガス燃料生成装置の概念図を図1（b）に示す。エンジン運転実験では、模擬バイオマスガス燃料生成装置から得られる模擬バイオマスガス燃料をエンジンに供給し、模擬バイオマスガス燃料でのエンジン運転時のデータを計測する。
これらの装置を用いたエンジン運転実験において、計測信号の同期、および実験中の機器操作の効率化の2点が実験システム構築の際に主な課題となる。その詳細を、計測、エンジン運転制御、模擬バイオマスガス生成に分けて次に述べる。

図1. 実験装置概念図

＜計測＞
　燃料中のガス成分の差異がエンジンの運転状態に及ぼす影響を解析、評価するために、エンジン運転中の燃料流量や空気流量、エンジン各点の温度、圧力等の多数のデータを計測する。この際に、後の解析のためにエンジンクランクの動きと同期しての計測が望ましい。圧力などの変化の早い信号はクランク角1度毎（エンジン定格回転数1,500 rpm時に9000 Hz）、温度などの変化の比較的遅い信号はクランク一回転毎のサンプリングとするなど、サンプリングレートの設定も柔軟に行いたい。また、センサーのアンプによって出力電圧のレンジが異なるので、精度よく計測するためにはチャンネル毎にレンジを設定できることが望ましい。

＜エンジン運転制御＞
　エンジン起動時には、クラッチをつなぎ、セルモーターを回転させて、燃料供給開始と同時にクラッチを切る、という操作が必要となる。また、運転中には、スロットル、マスフローコントローラー、スパークプラグといったアクチュエーターの操作により、あらかじめ設定した実験条件となるように、空気流量、燃料流量、点火時期を調節することが必要となる。さらに実験中にエンジン運転状態を監視しながら複数の機器を操作することは、実験者への負担が大きく効率化が望まれる。

＜模擬バイオマスガス生成＞
　模擬バイオマスガス燃料はボンベから供給される6種類のガス（CH4、C2H4、H2、CO、CO2、N2）および都市ガス13 Aを、7台のマスフローコントローラーによりそれぞれ独立に流量を監視制御して任意の混合割合の模擬バイオマスガスを生成する。7台同時に操作する必要があり煩雑になる。

ソリューション
1. システム構成
　上記の課題をクリアするため、エンジン計測装置および模擬バイオマスガス燃料生成装置の各入出力をそれぞれNIベースのシステムとして一元化し、エンジン計測制御システムおよび模擬バイオマスガス燃料生成システムを構築した。いずれもソフトウェアの開発にはLabVIEW 7.0を用いた。
エンジン計測制御システムにはPXIコントローラ（N IPXI-8176）およびA/Dボード「NI PXI-6071E」、D/Aボード「NI PXI-6733」、カウンタボード「NI PXI-6602」を用いた。計測用には、A/Dボード「N I PXI-6071E」を用いてセンサーからの出力をロータリーエンコーダーからの信号を元にクランク角度毎のサンプリングを行う。運転制御用には、D/Aボード「NI PXI-6733」を用いてクラッチ、セルモータ、スロットル、マスフローコントローラなどのアクチュエータ操作、カウンタボード「NI PXI-6602」を用いて点火信号生成を行う。これによりエンジン運転中に操作する各機器の入出力信号をN Iに一元化した。こうして、エンジンの運転、計測がP Cベースでできるシステムを構築した。

 模擬バイオマスガス生成システムには市販のデスクトップPCとPXIシャーシおよび、A/Dボード「NI PXI-6031E」、D/Aボード「NI PXI-6733」を用いた。D/Aボード「NI PXI-6733」からの電圧出力により各ガス成分の流量を制御し、A/Dボードにより実際の流量を計測する。7台のマスフローコントローラをPCにより同時に操作して7種類の各ガス成分（13 A、CH4、C2H4、H2、CO、CO2、N2）を任意の混合割合に制御できるシステムとなった。

2. 結果
計測に関して、エンジンクランクの動きと同期したサンプリングが可能となった。また、チャンネル毎のサンプリングレートや計測レンジはソフトウェアにより容易に設定できる。実験時の機器の操作に関しては、実験中に行う全ての操作をPCのみで行うことが可能となり、実験者への負担が大幅に軽減された。以上から、システム構築にあたっての課題をクリアした。

 さらに、計測したデータの解析にもLabVIEWを用いたため、ソフトウェアに関してはLabVIEWのみ習得すれば実験から解析までの全てを行うことができた。複数のプログラミング言語を習得する必要がないためその分の時間を短縮できた。

 図2に実験および解析に用いたプログラムのフロントパネルを示す。図2（a）はエンジン計測制御用プログラムであり、エンジン起動シーケンスを自動で行った後、アクチュエータを手動制御して実験条件に合わせ、エンジンの運転データを計測するプログラムである。
 

 図2（b）は、模擬バイオマスガス燃料の混合割合設定用プログラムのフロントパネルであり、7種類のガスの流量をそれぞれ設定、監視することができる。計測したデータは図2（c）の解析プログラムによって、エンジン性能（出力、熱効率、出力の変動係数）や燃焼特性（燃焼開始時期、燃焼期間）を解析するものである。
　現在、この計測・解析システムを用いて実験、解析中である。

図2. 実験および解析用プログラム

まとめ
LabVIEWを用いてバイオマスガス燃料対応エンジンの計測制御システムを構築した。多数の入出力信号に対してソフトウェアによる柔軟な設定や操作が可能であるというメリットを活かして、所望のシステムを構築できた。これにより実験時の負担が軽減された。また、計測から解析までの全てをLabVIEWで行えるため効率が向上した。

 最後に、今後バイオマスガス燃料対応ガスエンジンの制御系を試作するにあたっても今回構築したシステムはソフトウェアの変更のみで利用できるため、開発効率の更なる向上が期待できる。

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東京大学大学院 工学系研究科 機械工学専攻 金子研究室
戸松 豪氏

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