CN104838126B

CN104838126B - 气体发动机驱动系统以及船舶

Info

Publication number: CN104838126B
Application number: CN201380064200.7A
Authority: CN
Inventors: 大谷绅; 大谷绅一; 鹿野健司; 户涧美彦; 宇井岳夫
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2012-12-14
Filing date: 2013-12-13
Publication date: 2017-06-09
Anticipated expiration: 2033-12-13
Also published as: WO2014091763A1; CN104838126A; KR101698113B1; JP5480961B1; KR20150089088A; JP2014118858A

Abstract

气体发动机驱动系统（10A）具备：具有燃烧室（20）的二冲程气体发动机（2E）；以液体状态贮藏天然气的储罐（3）；和将从储罐（3）抽出的液体状态的天然气进行汽化的汽化器（73）。从第一燃料喷射机构（4）向燃烧室（20）内以低压喷射一次燃烧所需的量的天然气的一部分，剩余量由第二燃料喷射机构（5）以高压进行喷射。通过第一供给通路（6）使在储罐（3）内汽化的天然气导入至第一燃料喷射机构（4），通过第二供给通路（74）从汽化器（73）向第二燃料喷射机构（5）导入汽化的天然气。

Description

气体发动机驱动系统以及船舶

技术领域

本发明涉及具备以天然气为燃料的气体发动机的气体发动机驱动系统以及使用该气体发动机驱动系统的船舶。

背景技术

在船舶中，从大气污染防止的观点考虑，除了国际海事组织（internationalmaritime organization；IMO）第三次规定的限制以外、SOx或者将来CO₂的排出量也将受到限制。在这样的状况下，开发出代替以现有的重油为燃料的柴油发动机的、以天然气为燃料的气体发动机。

例如，在专利文献1中公开了向燃烧室内压缩的空气中喷射天然气以及先导油的二冲程气体发动机。在二冲程气体发动机中，概略地在活塞从上死点下降至下死点的稍微之前的期间执行膨胀行程以及排气行程，在活塞从下死点的稍微之前下降以及上升至上死点的期间执行扫气行程以及压缩行程。在专利文献1公开的气体发动机中，在压缩行程的末尾向燃烧室内喷射天然气。然而，在该气体发动机中，需要将天然气加压至比压缩空气高的压力（例如15～30MPa左右）。

为了解决该问题点，专利文献2公开了使天然气向燃烧室的喷射在扫气行程的后半行程和/或压缩行程的前半行程进行的二冲程气体发动机。另外，向该气体发动机供给的天然气是使以液体状态贮藏在储罐中的天然气由泵加压后由汽化器汽化而成。

现有技术文献：

专利文献1：日本特开2008-202550号公报；

专利文献2：日本特开2012-36780号公报。

发明内容

发明要解决的问题：

然而，在专利文献2公开的气体发动机中，喷射至燃料室内的天然气与空气一起被压缩，因此发生与现有的四冲程气体发动机相同的问题。在四冲程气体发动机中，在向燃烧室导入的进气中预先混合需求输出所需的量的燃料气体。在该情况下，因空燃比（空气量QA相对于燃料量QF的比值：QA/QF）和制动平均有效压力（ brake mean effective pressure；BMEP）之间的关系而产生爆震或失火。

又，在将天然气以液体状态贮藏在储罐内时，在储罐内天然气汽化而产生蒸发气（BOG），因此如何处理该蒸发气成为了问题。

因此，本发明的目的是提供能够防止爆震以及失火且能够有效利用蒸发气的气体发动机驱动系统、以及使用该气体发动机驱动系统的船舶。

解决问题的手段：

为了解决上述问题，本发明提供气体发动机驱动系统，具备：在一个侧面具有设置有空气导入口和排气口的汽缸、以及由在所述汽缸内往复运动的活塞形成的燃烧室的二冲程气体发动机；在所述活塞从下死点上升时向所述燃烧室内以低压喷射一次燃烧所需的量的天然气的一部分的第一燃料喷射机构；在所述活塞位于上死点之前至之后的过渡期间内向所述燃烧室内以高压喷射一次燃烧所需的量的天然气的剩余量的第二燃料喷射机构；以液体状态贮藏天然气的储罐；将在所述储罐内汽化的天然气导入至所述第一燃料喷射机构的第一供给通路；将从所述储罐抽出的液体状态的天然气进行汽化的汽化器；和从所述汽化器向所述第二燃料喷射机构导入汽化的天然气的第二供给通路。

又，本发明提供气体发动机驱动系统，具备：在另一个侧面具有设置有空气导入口和排气口的汽缸、以及由在所述汽缸内往复运动的活塞形成的燃烧室的二冲程气体发动机；在向所述燃烧室导入之前的扫气中以低压喷射一次燃烧所需的量的天然气的一部分的第一燃料喷射机构；在所述活塞位于上死点之前至之后的过渡期间内向所述燃烧室内以高压喷射一次燃烧所需的量的天然气的剩余量的第二燃料喷射机构；以液体状态贮藏天然气的储罐；将在所述储罐内汽化的天然气导入至所述第一燃料喷射机构的第一供给通路；将从所述储罐抽出的液体状态的天然气进行汽化的汽化器；和从所述汽化器向所述第二燃料喷射机构导入汽化的天然气的第二供给通路。

上述任意一个气体发动机驱动系统都是以两个阶段喷射天然气。即，一次燃烧所需的量的天然气并不是全部与空气一起被压缩，因此可以防止爆震。又，即便在从第一燃料喷射机构喷射天然气后混合气位于失火区域，也由于从第二燃料喷射机构喷射扩散燃烧用的天然气，因此不会发生失火的问题。因此，在压缩行程中可以进行从爆震区域具备足够的余裕的控制。又，与将全部的天然气例如在压缩行程的末尾进行喷射的情况相比，减少以高压喷射的天然气的量，因此可以减少使液体状态的天然气升压所需的设备或动力等。此外，在储罐内汽化的天然气从第一燃料喷射机构喷射，因此可以将蒸发气作为燃料有效利用。

也可以是在上述第一燃料喷射机构向燃烧室内喷射天然气的气体发动机驱动系统中，所述低压气体喷射机构配置于在所述活塞位于上死点位置时通过所述活塞与所述燃烧室隔离的位置。根据该结构，可以保护第一燃料机构以免受燃烧时的冲击。

也可以是上述任意一个气体发动机驱动系统还具备从所述储罐向所述汽化器内导入液体状态的天然气且设置有升压泵的送液通路。或者，也可以是上述气体发动机驱动系统还具备从所述储罐向所述汽化器内导入液体状态的天然气的送液通路；在所述第二供给通路上设置有压缩机。

也可以是上述气体发动机驱动系统还具备连接所述送液通路和所述第一供给通路且设置有汽化器的旁通通路。根据该结构，即使在蒸发气量较少的情况下，也可以自由地控制从第一燃料喷射机构喷射的低压的天然气与从第二燃料喷射机构喷射的高压的天然气的比率。

又，本发明提供具备上述气体发动机驱动系统、和在一端安装有螺旋桨且由所述气体发动机驱动系统驱动的推进轴的船舶。

发明效果：

根据本发明可以防止爆震以及失火，且可以有效利用蒸发气。

附图说明

图1是使用根据本发明的第一实施形态的气体发动机驱动系统的船舶的概略结构图；

图2是构成图1所示的气体发动机驱动系统的二冲程气体发动机的剖视图，示出活塞位于下死点的状态；

图3是构成图1所示的气体发动机驱动系统的二冲程气体发动机的剖视图，示出活塞位于上死点的状态；

图4是示出曲轴的旋转角度与燃烧室内的压力之间的关系的图表；

图5是用于说明从第一燃料喷射机构喷射的低压的天然气与从第二燃料喷射机构喷射的高压的天然气的比率的图；

图6是示出在向燃烧室内导入之前的空气中混合全部的燃料气体时的爆震区域以及失火区域、且横轴表示空燃比而纵轴表示制动平均有效压力的图表；

图7是构成根据本发明的第二实施形态的气体发动机驱动系统的二冲程气体发动机的剖视图，并且示出活塞位于下死点的状态；

图8是使用根据本发明的第三实施形态的气体发动机驱动系统的船舶的概略结构图。

具体实施方式

以下参照附图说明本发明的实施形态。

（第一实施形态）

图1示出使用根据本发明的第一实施形态的气体发动机驱动系统10A的船舶1。该船舶1具备装有气体发动机驱动系统10A的船体11、和由气体发动机驱动系统10A驱动的推进轴13。在推进轴13的一端安装有螺旋桨15。

气体发动机驱动系统10A具备二冲程气体发动机2E、和将作为该气体发动机2E的燃料的天然气以液体状态进行贮藏的储罐（所谓LNG储罐）3。气体发动机2E包括与推进轴13连接的曲轴12、覆盖曲轴12的壳体14、和在曲轴12的轴方向上排列的多个（图1中为了简化附图而仅画出两个）的汽缸2。

天然气通常包含甲烷以作为主成分。储罐3具有阻止从储罐外向储罐内的热的侵入以能够贮藏被冷却液化至－162℃左右的天然气的绝热结构。另外，储罐3可以与LNG搬运船的一个或多个储罐兼用，也可以是气体发动机2E专用的储罐。

各汽缸2如图2所示包括例如在铅垂方向上延伸的汽缸套21、和盖住汽缸套21的上端的汽缸盖22。在本实施形态中，在汽缸套21上设置有空气导入口2a，在汽缸盖22上设置有排气口2b。即，汽缸2形成为单向流动式。然而，汽缸2也可以形成为在汽缸套21上设置有排气口2b的交叉式或环式。

在汽缸2内配设有活塞23，由汽缸2以及活塞23形成燃烧室20。活塞23在汽缸2内往复运动，并且通过连接杆24与曲轴12连接。另外，活塞23可以与连接杆24直接地销接合，但是也可以借助于活塞杆（未图示）与连接杆24销接合。

将排气口2b借助于由图示省略的执行器进行工作的排气门25进行开闭。排气门25在活塞23下降时，在活塞23的受压面（本实施形态中上表面）到达空气导入口2a之前，换言之在空气导入口2a与燃烧室20连通之前打开。即，从活塞23的下降开始至排气门25打开为止即为膨胀行程，并且从排气门25打开至空气导入口2a与燃烧室20连通为止即为排气行程。又，排气门25在活塞23上升时，活塞23的受压面通过空气导入口2a后，换言之在空气导入口2a与燃烧室20的连通状态被解除后关闭。即，从空气导入口2a与燃烧室20连通后至排气门25关闭为止即为扫气行程，从排气门25关闭后至活塞23的上升结束为止即为压缩行程。另外，在图3中示出活塞23位于上死点的状态。

各汽缸2的空气导入口2a借助于扫气管16与扫气歧管15连接，各汽缸2的排气口2b借助于排气管17与排气歧管18连接。收集至排气歧管18内的排气输送至增压器（涡轮增压器）19而作为压缩大气中的空气的动力使用，之后排出至系统外。被增压器19压缩的空气输送至扫气歧管15，在这里被分配而作为扫气供给至各汽缸2。

又，在各汽缸2中设置有向燃烧室20内喷射作为燃料的天然气的第一燃料喷射机构4以及第二燃料喷射机构5、以及向燃烧室20内喷射先导油的液体喷射阀9。在本实施形态中，气体喷射阀作为第一燃料喷射机构4以及第二燃料喷射机构5使用，在汽缸套21上设置有第一燃料喷射机构4，在汽缸盖22上设置有第二燃料喷射机构5以及先导油喷射阀9。然而，第一燃料喷射机构4以及第二燃料喷射机构5中的一个或者两者可以由设置于汽缸套21或汽缸盖22的贯通孔、和设置于与该贯通孔连通的配管上的电磁阀构成。

如图4所示，第一燃料喷射机构4在活塞23从下死点向汽缸盖22上升时以低压喷射一次燃烧所需的量的天然气的一部分，第二燃料喷射机构5在活塞23位于上死点之前至之后的过渡期间内以高压喷射一次燃烧所需的量的天然气的剩余量。从第一燃料喷射机构4喷射的天然气35的压力达到比由增压器19压缩后的空气的压力稍微高的程度（例如0.5～1.0MPa）。从第二燃料喷射机构5喷射的天然气32的压力达到比活塞23位于上死点时的燃烧室20内的压力稍微高的程度（例如15～30MPa程度）。过渡期间是指例如曲轴12的旋转角度在从活塞23位于上死点的正时计算时为±10度。

将从第一燃料喷射机构4喷射的低压的天然气35（参照图2）与从第二燃料喷射机构5喷射的高压的天然气32（参照图3）的比率根据在储罐3内汽化的蒸发气量或需求输出等进行控制。将第一燃料喷射机构4以及第二燃料喷射机构5例如基于检测曲轴12的旋转角度的传感器的检测值进行控制。

如图3所示，第一燃料喷射机构4优选的是配置在活塞23位于上死点时通过活塞23与燃烧室20隔离的位置上。因为能够保护第一燃料喷射机构4以免受燃烧时的冲击。例如，第一燃料喷射机构4可以配置在与空气导入口2a大致相同的高度位置。然而，第一燃料喷射机构4无需一定配置在这样的位置，例如可以设置在汽缸盖22。

通过先导油供给通路92从油泵91向液体喷射阀9供给轻油或重油等的先导油90。液体喷射阀9在即将从第二燃料喷射机构5喷射高压的天然气32之前喷射先导油90。在向压缩空气喷射先导油90时先导油90点火，借助于此使压缩空气与天然气的混合气燃烧。

如图1所示，在各汽缸2的第一燃料喷射机构4中，通过第一供给通路6导入在储罐3内汽化的天然气（BOG）35。另一方面，贮藏在储罐3内的液体状态的天然气31通过送液通路71导入至汽化器73。即，从储罐3抽出的液体状态的天然气31被汽化器73汽化。汽化的天然气32通过第二供给通路74从汽化器73导入至各汽缸2的第二燃料喷射机构5。例如，第一供给通路6的上游端与储罐3的上部连接，送液通路71的上游侧部分贯通储罐3的上部后在储罐3的底部附近开口。

在第一供给通路6上设置有使在储罐3内汽化的天然气35升压至上述低压、即升压至从第一喷射机构4可喷射的压力的压缩机61。另一方面，在送液通路71上设置有升压泵72。该升压泵72以使由汽化器73汽化的天然气32达到从第二燃料喷射机构5可喷射的上述高压的形式使液体状态的天然气31升压。

将在每个汽缸2的一个循环中的从第一燃料喷射机构4喷射的低压的天然气35与从第二燃料喷射机构5喷射的高压的天然气32的比率例如如下方式决定。在导入至燃烧室20内之前的空气中混合全部燃料气体（一次燃烧所需的量的天然气体）时，存在图5所示的爆震区域和失火区域。一次燃烧所需的天然气的量GT根据气体发动机2E的需求输出求得。将此时的发动机转速时的制动平均有效压力PM下的爆震极限（气体量的上限值）作为GN，将失火极限（气体量的下限值）作为GS。又，储罐3内的BOG的一分钟内的产生量除以发动机转速（rpm）以及汽缸2的数量的值作为GB。低压的天然气35的量GL只要在GN以下即可，高压天然气32的量GH只要在GS以上即可。例如，使低压的天然气35的量GL为GB和GN中的较小的一方，使高压的天然气32的GH通过从GT减去GL而算出。

此外，在本实施形态中，送液通路71中的与升压泵72相比靠近上游侧的部分和第一供给通路6中的与压缩机61相比靠近下游侧的部分通过旁通通路8相连接。在旁通通路8上设置有具有与压缩机61相同程度的升压能力的泵81、和使从泵81压送的液体状态的天然气31汽化的汽化器82。另外，也可以代替泵81而设置减压阀，并且使旁通通路8的上游端与送液通路71中的与升压泵72相比靠近下游侧的部分相连接。或者，也可以代替泵81而设置节流部，并且使旁通通路8的下游端与第一供给通路6中的与压缩机61相比靠近上游侧的部分相连接。

如上所述，在本实施形态的气体发动机驱动系统10A中，将天然气以两个阶段进行喷射。即，并不是一次燃烧所需的量的全部天然气与空气一起被压缩，因此可以防止爆震。又，即便在从第一燃料喷射机构4喷射天然气后混合气位于失火区域，也从第二燃料喷射机构5喷射扩散燃烧用天然气，从而以使一次燃烧中使用的气体的量GT达到GS以上的形式进行控制，因此不会发生失火的问题。因此，在压缩行程中可以进行从爆震区域足够具备余裕的控制。又，与将全部的天然气例如在压缩行程的末尾进行喷射的情况相比，减少以高压喷射的天然气的量，因此可以减少使液体状态的天然气31升压所需的设备或动力等。此外，在储罐3内汽化的天然气35从第一燃料喷射机构4喷射，因此可以将蒸发气作为燃料有效利用。

然而，在储罐3内产生的蒸发气根据气温等而变化。相对于此，在本实施形态的气体发动机驱动系统10A中，可以根据蒸发气量调节从第二燃料喷射机构5喷射的天然气32的量，借助于此可以进行最大限度利用蒸发气的运行。

此外，在本实施形态中，通过设置有汽化器82的旁通通路8使送液通路71与第一供给通路6相连接，因此即便在蒸发气量较少的情况下，也可以自由地控制从第一燃料喷射机构4喷射的低压的天然气35与从第二燃料喷射机构5喷射的高压的天然气32的比率。

在这里，参照图6对通过本实施形态的气体发动机驱动系统10A能够防止爆震进行进一步的详细说明。图6示出在向燃烧室20内导入之前的空气中混合全部的燃料气体时的爆震区域以及失火区域。

一般而言，在向燃烧室导入的进气中预先混合燃料气体的四冲程气体发动机中，为了避开图5所示的爆震区域以及失火区域，而以使空燃比收敛于夹在它们之间的比较狭窄的范围R内的形式进行控制。

在本实施形态的气体发动机驱动系统10A中，如图6中由A点以及B点所示，例如空燃比在压缩行程开始时或结束时变化。即，从第一燃料喷射机构4仅喷射一次燃烧所需的量的天然气的一部分，由于压缩行程开始时的空燃比较高（混合气稀薄），因此不存在该稀薄的混合气之后被压缩而发生爆震的担忧。又，当从第二燃料喷射机构5喷射一次燃烧所需的量的天然气的剩余量时，空燃比向较低的一侧（混合气不稀薄的方向）移动，从而以成为不存在失火的担忧的混合气的形式控制发动机输出。此外，在从第二燃料喷射机构5喷射天然气后混合气立刻燃烧，因此不引起爆震。此外，最终能够适当地调节燃烧时的空燃比，因此能够得到所需的输出，并且能够改善对于负荷变化的耐受性。

另外，在进行使发动机转速保持一定的调节时，可以调节低压的天然气35和高压的天然气32中的任意一个，也可以调节两者的量。

（第二实施形态）

接着，参照图7说明根据本发明的第二实施形态的气体发动机驱动系统。然而，本实施形态的气体发动机驱动系统与图1所示的气体发动机驱动系统10A比较，区别仅在于配置第一燃料喷射机构4的位置，因此仅使用气体发动机2E的剖视图进行说明。又，在本实施形态以及后述的第三实施形态中，对于与第一实施形态相同的构成要素标以相同的符号，并省略重复的说明。

在本实施形态中，第一燃料喷射机构4设置于扫气歧管15。因此，在储罐3内汽化的天然气35从第一燃料喷射机构4以低压喷射至向燃烧室20导入之前的扫气中。换而言之，低压的天然气35在扫气歧管15内与向燃烧室20导入之前的扫气预先混合。第一燃料喷射机构4设置于空气导入口2a附近。第一燃料喷射机构4将低压的天然气体35与活塞23下降而空气导入口2a打开并扫气歧管15内的空气流入汽缸2内的正时相吻合地进行喷射。

通过本实施形态也可以得到与第一实施形态相同的效果。

（第三实施形态）

接着，参照图8说明根据本发明的第三实施形态的气体发动机驱动系统10B。本实施形态的气体发动机驱动系统10B与图1所示的第一实施形态的气体发动机驱动系统10A的区别点在于未设置有旁通通路8，和升压泵72未设置于送液通路71取而代之压缩机75设置于第二供给通路74。

压缩机75使由汽化器73汽化的天然气32升压至第一实施形态中说明的高压、即从第二喷射机构5可喷射的压力。另外，在该情况下图示省略，但是在送液通路71上设置有向汽化器73供给液体状态的天然气的低压（不怎么使天然气的压力上升）的泵。

在本实施形态中，也同样可以得到与第一实施形态相同的效果。另外，在图8中，第一喷射机构4设置于汽缸2，但是也可以如图7所示第一喷射机构4设置于扫气歧管15。又，在本实施形态的气体发动机驱动系统10B中，也同样可以设置有图1所示的旁通通路8。

（其他实施形态）

在所述各实施形态中，燃烧室20形成为单室，但是燃烧室20也可以分成天然气的燃烧用主室和点火用副室。又，点火的方法不限于一定是使用先导油的方法，也可以是使用火花塞的方法。

工业应用性：

本发明的气体发动机驱动系统无需一定使用于船舶，例如也可以使用于驱动发电机的旋转轴的发电。

符号说明：

1 船舶；

10A、10B 气体发动机驱动系统；

12 曲轴；

2E 二冲程气体发动机；

2a 空气导入口；

2b 排气口；

2 汽缸；

20 燃烧室；

23 活塞；

3 储罐；

31 液化天然气；

32、35 天然气；

4 第一燃料喷射机构；

5 第二燃料喷射机构；

6 第一供给通路；

61 压缩机；

71 送液通路；

72 升压泵；

73 汽化器；

74 第二供给通路；

75 压缩机；

8 旁通通路；

81 泵；

82 汽化器。

Claims

1.一种气体发动机驱动系统，具备：

具有燃烧室的气体发动机；

第一燃料喷射机构；

以液体状态贮藏天然气的储罐；

将在所述储罐内汽化的天然气导入至所述第一燃料喷射机构的第一供给通路；

将从所述储罐抽出的液体状态的天然气进行汽化的汽化器；

其特征在于，

所述气体发动机为二冲程气体发动机，

所述燃烧室由设置有空气导入口和排气口的汽缸、以及在所述汽缸内往复运动的活塞形成；

所述第一燃料喷射机构在所述活塞从下死点上升时向所述燃烧室内以低压喷射一次燃烧所需的量的天然气的一部分，

所述气体发动机驱动系统还具备：

在所述活塞位于上死点之前至之后的过渡期间内向所述燃烧室内以高压喷射一次燃烧所需的量的天然气的剩余量的第二燃料喷射机构；和

从所述汽化器向所述第二燃料喷射机构导入汽化的天然气的第二供给通路。

2.根据权利要求1所述的气体发动机驱动系统，其特征在于，

所述第一燃料喷射机构配置于在所述活塞位于上死点位置时通过所述活塞与所述燃烧室隔离的位置。

3.根据权利要求1或2所述的气体发动机驱动系统，其特征在于，

还具备从所述储罐向所述汽化器内导入液体状态的天然气且设置有升压泵的送液通路。

4.根据权利要求1或2所述的气体发动机驱动系统，其特征在于，

还具备从所述储罐向所述汽化器内导入液体状态的天然气的送液通路；

在所述第二供给通路上设置有压缩机。

5.根据权利要求3所述的气体发动机驱动系统，其特征在于，

还具备连接所述送液通路和所述第一供给通路且设置有汽化器的旁通通路。

6.根据权利要求4所述的气体发动机驱动系统，其特征在于，

7.一种气体发动机驱动系统，具备：

具有燃烧室的气体发动机；

第一燃料喷射机构；

以液体状态贮藏天然气的储罐；

将从所述储罐抽出的液体状态的天然气进行汽化的汽化器；

其特征在于，

所述气体发动机为二冲程气体发动机，

所述第一燃料喷射机构在向所述燃烧室导入之前的扫气中以低压喷射一次燃烧所需的量的天然气的一部分，

所述气体发动机驱动系统还具备：

8.根据权利要求7所述的气体发动机驱动系统，其特征在于，

9.根据权利要求7所述的气体发动机驱动系统，其特征在于，

在所述第二供给通路上设置有压缩机。

10.根据权利要求8或9所述的气体发动机驱动系统，其特征在于，

11.一种船舶，其特征在于，具备：

权利要求1至10中任意一项所述的气体发动机驱动系统；和

在一端安装有螺旋桨且由所述气体发动机驱动系统驱动的推进轴。