JP2014177918A

JP2014177918A - ガス燃料エンジン

Info

Publication number: JP2014177918A
Application number: JP2013053572A
Authority: JP
Inventors: Toru Hashimoto; 徹橋本; Sadao Nakayama; 貞夫中山; Miwako Yamazawa; 美和子山澤
Original assignee: Niigata Power Systems Co Ltd
Current assignee: Niigata Power Systems Co Ltd
Priority date: 2013-03-15
Filing date: 2013-03-15
Publication date: 2014-09-25
Anticipated expiration: 2033-03-15
Also published as: JP6062777B2

Abstract

【課題】燃料を余分に消費せずに適量の空気を適時にアシストできるガス燃料エンジンを提供する。
【解決手段】ガス燃料エンジン１は、エンジン本体３と、エンジン本体の負荷が上昇する際の空気量不足を補うための空気を蓄えた空気槽１５と、空気槽とエンジン本体の間に設けられて空気槽の空気を前記エンジン本体に供給する電動弁１３及び遮断弁１４と、エンジン本体の負荷が上昇すると判断した場合に電動弁１３及び遮断弁１４を制御することにより空気槽の空気をエンジン本体に供給させるガスエンジンコントローラ２０の空気量制御装置２２を有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスを燃料として燃焼させることが可能なガス燃料エンジン、例えばガスエンジン又はディーゼルエンジンとして選択的に使用できるデュアルフューエルエンジンや、専らガスを燃料とするガスエンジン等に係り、特に、ガスを燃料として運転する際の動特性を改善するための技術に関するものである。

近年、環境問題への対応として、排出ガス成分にＮＯ_XやＣＯ₂が少ないクリーンな機関であるガス燃料エンジンを船舶推進用の機関に用いることが要望されるようになっている。ところが、陸用の内燃機関の場合には、例えば発電設備を駆動する定置型のエンジンのように、比較的長時間、一定負荷で連続して運転する場合が多いのに比べ、船舶推進用では船舶の運航状態によって負荷変動が頻繁に生じるような使用態様とならざるを得ない。従って、このような船舶推進用として従来のガスエンジンを用いると、急激な負荷上昇操作を行った場合、過給機の応答遅れにより必要とする空気量が確保出来なくなり、空気過剰率が低下して適正な安定運転範囲を維持できず、失火やノッキング等の燃焼異常が発生する場合があるという問題があった。このため、従来のガスエンジンは急速な負荷上昇操作が要求される船舶推進用への適用は不向きであるとされていた。

更に、ガスエンジンの駆動軸をプロペラ直結とし、プロペラにＦＰＰ（固定ピッチプロペラ）を用いた場合には、低負荷では機関回転数が低くなり、トルクが大きくなってエンジンに加わる負荷が過大となり、空気不足の要因となってしまう。プロペラにＣＰＰ (可変ピッチプロペラ）を用いれば回転数を一定として負荷を可変とすることも可能ではあるが、完全ではないし、ＣＰＰは高価であるという問題がある。このような事情も、ガス燃料エンジンを船舶推進用として用いることを困難にしている。

このように、ガスエンジンにおいて急激な負荷上昇操作を行った場合、空気量が不足して失火やノッキング等の燃焼異常が発生するという問題を解決するには、不足している空気が増加するように工夫すればよいと考えられる。このような状態のエンジンに空気を補給する（これをアシストと呼ぶ）技術としては、例えば下記特許文献１に開示された発明のような助燃式ターボ過給装置の技術が知られている。

この発明は、過給機を備えたレシプロエンジンにおいて空気をアシストする技術に関するものである。この発明に係る助燃式ターボ過給装置によれば、機関の起動時等、機関出力が小さいために過給機の速度が低く、機関に十分な空気が送れない場合に、燃焼器（助燃装置と呼ぶ）を用いて燃料を燃焼し、発生した高温ガスを機関排気に合流させて不足するエネルギーを補うことにより、過給機の速度を高めて機関に十分な空気を送り込むことができるものとされている。

特開２００７−２４０１０号公報

前記特許文献１に記載された発明によれば、助燃装置で発生させた高温ガスで過給機の速度を高めて機関に供給する空気を増大させているため、空気アシストのために余分な燃料が必要になるという問題があった。また、空気アシストが必要となってから助燃装置の燃焼を開始したのでは間に合わず、空気アシストが必要となる前に予め助燃装置で燃焼を行なう必要があるため、助燃装置で燃焼を行なっているにもかかわらず、空気アシストが必要でない場合は、助燃装置に供給された燃料は全く無駄になってしまうという問題があった。

本発明は、以上説明した先行技術における課題を解決するためになされたものであり、燃料を余分に消費することなく適量の空気を適時にアシストすることができるガス燃料エンジンを提供することを目的としている。

請求項１に記載されたガス燃料エンジンは、
ガスを燃料とすることが可能なエンジン本体を備えたガス燃料エンジンにおいて、
前記エンジン本体の負荷が上昇する際の空気量不足を補うための空気が蓄えられた空気槽と、
前記空気槽と前記エンジン本体の間に設けられて前記空気槽の空気を前記エンジン本体に供給する制御弁と、
前記エンジン本体の負荷が上昇すると判断した場合に前記制御弁を制御することにより前記空気槽の空気を前記エンジン本体に供給させる制御部と、
を有することを特徴としている。

請求項２に記載されたガス燃料エンジンは、請求項１に記載のガス燃料エンジンにおいて、
前記エンジン本体の回転数を所望の設定回転数に設定する操作ハンドルと、前記エンジン本体の回転数を検出する回転検出器と、開又は閉に制御可能な前記制御弁としての遮断弁をさらに有することを前提とし、前記エンジン本体の上限回転数と、前記空気槽の空気を前記エンジン本体に供給する制御を開始するための開始回転数閾値を備えるとともに、前記エンジン本体の運転時に前記操作ハンドルで設定した設定回転数と前記上限回転数の差が前記開始回転数閾値を越えた場合に、前記遮断弁に開信号を与えるように制御する第１の制御と、
前記エンジン本体の回転数を検出する回転検出器と、開又は閉に制御可能な前記制御弁としての遮断弁をさらに有することを前提とし、前記空気槽の空気を前記エンジン本体に供給する制御を開始するための開始加速度閾値を備えるとともに、前記エンジン本体の運転時に前記回転検出器が出力する前記エンジン本体の回転数から加速度を算出し、前記加速度が前記開始加速度閾値を越えた場合に、前記遮断弁に開信号を与えるように制御する第２の制御と、
からなる制御群に含まれる制御のうち、少なくとも何れか一方を行なうように前記制御部が構成されていることを特徴としている。

請求項３に記載されたガス燃料エンジンは、請求項２に記載のガス燃料エンジンにおいて、
前記第１の制御を行なう前記制御部は、前記空気槽の空気を前記エンジン本体に供給する制御を終了するための終了回転数閾値を備えるとともに、前記エンジン本体の運転時に前記操作ハンドルで設定した設定回転数と前記回転数の差が前記開始回転数閾値よりも小さくなった場合に、前記遮断弁に閉信号を与え、
前記第２の制御を行なう前記制御部は、前記空気槽の空気を前記エンジン本体に供給する制御を終了するための終了加速度閾値を備えるとともに、前記エンジン本体の運転時に前記加速度が前記終了加速度閾値よりも小さくなった場合に、前記遮断弁に閉信号を与えることを特徴としている。

請求項４に記載されたガス燃料エンジンは、請求項３に記載のガス燃料エンジンにおいて、
前記エンジン本体のトルクを検出するトルク検出器と、開度が調節可能な前記制御弁としての電動弁をさらに有しており、
前記制御部は、前記エンジン本体の負荷と目標給気圧との関係についての給気制御データを備えるとともに、前記エンジン本体の運転時に前記回転検出器から取得した前記エンジン本体の回転数と前記トルク検出器から取得した前記エンジン本体のトルクから前記エンジン本体の負荷を算出し、当該負荷と前記給気制御データから弁制御信号を生成し、当該弁制御信号によって前記電動弁の開度を制御することを特徴としている。

請求項５に記載されたガス燃料エンジンは、請求項４に記載のガス燃料エンジンにおいて、
前記制御部は、前記遮断弁に前記閉信号を与える条件が成立した場合には、条件が成立してから所定時間経過後に前記遮断弁に前記閉信号を与えるとともに、条件が成立してから前記所定時間経過後に前記電動弁が閉止されるような所定の率に基づいて前記電動弁の開度を減少させて行くことを特徴としている。

請求項１に記載されたガス燃料エンジンによれば、制御部は、運転時にエンジン本体の負荷が上昇すると判断した場合、制御弁を制御して空気槽の空気をエンジン本体に供給する。空気槽に予め蓄えておいた圧縮空気等を用いてエンジン本体に空気を直接アシストするため、必要な場合に極めて短い応答遅れ時間で直ちに必要な空気量を確保できる。急速な負荷上昇操作時には、従来のガスエンジンであれば空気量が不足して空気過剰率がノッキング領域まで下がってしまうが、本発明によれば、急速な負荷上昇時においても空気過剰率を安定運転領域に維持することが出来るため、失火やノッキング等の燃焼異常が発生する恐れが少ない。また、負荷上昇に要する時間も従来よりも短縮することができる。これによって、ガス燃料エンジンを船舶推進用として用いることの実現性が高くなった。

請求項２に記載されたガス燃料エンジンによれば、操作ハンドルを急操作することによりエンジン本体に急速な負荷上昇が生じた時に、これを誤りなく判断して空気アシストを行なうため、次のような第１の制御と第２の制御のいずれか一方を行い、又は両方を行なうことができる。

第１の制御は、比較的急な操作ハンドルの操作、すなわち操作ハンドルにより設定されるエンジン本体の設定回転数が、エンジン本体の上限回転数を越えるような場合に主として対応するものである。この制御によれば、操作ハンドルにより設定されるエンジン本体の設定回転数が、エンジン本体の上限回転数とは異なることを利用し、事前に急加速を判断する。すなわち、エンジン本体の運転時に操作ハンドルが急操作され、エンジン本体の設定回転数を急激に増大させると、制御部は、操作ハンドルで設定された設定回転数と、記憶している上限回転数の差を演算し、その差が、記憶している開始回転数閾値を越えた場合には、遮断弁に開信号を与えて空気槽の空気をエンジン本体に供給させる。

第２の制御は、比較的緩やかな操作ハンドルの操作、すなわち操作ハンドルにより設定されるエンジン本体の設定回転数が、エンジン本体の上限回転数を越えないような場合に主として対応するものである。この制御によれば、実際の回転数に基づいて算出したエンジン本体の加速度を監視し、急加速を判断する。すなわち、エンジン本体の運転時に、制御部は、回転検出器が出力するエンジン本体の実際の回転数から加速度を算出し、記憶している開始加速度閾値よりもこの加速度が大きい場合に、遮断弁に開信号を与えて空気槽の空気をエンジン本体に供給させる。

請求項３に記載されたガス燃料エンジンによれば、前述した第１の制御と第２の制御において、エンジン本体に生じた急速な負荷上昇が終了した時に、これを確実に判断して空気アシストを終了することができる。

第１の制御において、制御部は、操作ハンドルで設定した設定回転数と回転数の差を演算し、記憶している終了回転数閾値よりも前記差の方が小さくなったと判断した場合に、遮断弁に閉信号を与えてエンジン本体に対する空気アシストを終了する。

第２の制御において、制御部は、回転検出器が出力するエンジン本体の回転数から算出した加速度が、記憶している終了加速度閾値よりも小さくなったと判断した場合に、遮断弁に閉信号を与えてエンジン本体に対する空気アシストを終了する。

請求項４に記載されたガス燃料エンジンによれば、操作ハンドルの急操作で急速な負荷上昇が生じ、空気アシストが行なわれている場合において、制御部は、回転検出器から取得した回転数とトルク検出器から取得したトルクから負荷を算出し、記憶している給気制御データと前記負荷から弁制御信号を生成し、この弁制御信号によって電動弁の開度を制御する。空気槽からエンジン本体に供給される空気の量をエンジン本体の負荷に応じて適切に制御することができる。

請求項５に記載されたガス燃焼エンジンには、アシスト空気供給用である空気槽以外に、運転時に空気を供給するための給気源として、例えば過給機が設けられており、エンジン本体に接続されているものとする。そして、エンジン本体において最適な空燃比を実現するために、過給機のコンプレッサ側からの空気は適宜に給気制御されている。ところが、急速な負荷上昇に伴って開始された空気アシストが終了し、空気槽からエンジン本体への空気の供給を一気に打ち切るとすれば、エンジン本体への給気が過給機のコンプレッサ側からの給気のみとなって空気量が急激に減少するため、過給機のコンプレッサ側からの空気の給気制御によって係る急激な空気量の変化に適切に対応することは困難であり、エンジン本体の運転に支障を生じる可能性もある。

ところが、請求項５に記載されたガス燃料エンジンによれば、エンジン本体に生じた急速な負荷上昇が終了して空気アシストを終了する場合、制御部は、遮断弁を閉とするための条件が成立してから電動弁の開度を徐々に減少させて空気のアシスト量を絞って行き、所定時間経過後に電動弁が閉止された時に遮断弁も閉止してアシスト空気の供給を完全に停止させるように制御を行なう。このように、空気アシストが終了してエンジン本体への給気が過給機のコンプレッサ側からの給気のみに切り替わる際に、アシストされている空気の量を徐々に減少させていくため、エンジン本体に供給される空気量が急激に減少することがなく、空気アシスト終了後に過給機のコンプレッサ側からの給気制御が円滑に行なわれ、エンジン本体の運転に支障を生じることはない。

本発明の実施形態に係るガス燃焼エンジンの全体構成を模式的に示す図である。前記実施形態のガス燃焼エンジンを制御するための構成を示す機能ブロック図である。前記実施形態のガス燃焼エンジンの制御を示す図であって、操船ハンドルの操作が急であった場合における機関回転数の時間的な変化を示す図である。前記実施形態のガス燃焼エンジンの制御を示す図であって、操船ハンドルの操作が緩やかであった場合における機関回転数の時間的な変化を示す図である。前記実施形態のガス燃焼エンジンの制御を示す図であって、操船ハンドルの操作が急であった場合における機関回転数の時間的な変化及び空気アシストの手法を示す図である。図５に示した場合における空気アシスト制御の手順を示す流れ図である。前記実施形態のガス燃焼エンジンの制御を示す図であって、操船ハンドルの操作が緩やかであった場合における機関回転数の時間的な変化及び空気アシストの手法を示す図である。図７に示した場合における空気アシスト制御の手順を示す流れ図である。前記実施形態のガス燃焼エンジンの制御を示す図であって、操船ハンドルの操作が急であった場合における機関回転数の時間的な変化と、空気アシストにおける電動弁の開度及び給気圧の変化を示す図である。図９に示した空気アシストにおける電動弁の開度制御の手順を示す流れ図である。前記実施形態のガス燃焼エンジンにおいて、過渡運転における時間と負荷の関係を示すとともに、時間と空気過剰率の関係を従来と比べて示したグラフである。前記実施形態のガス燃焼エンジンにおける過渡運転時の時間と負荷の関係を従来と比べて示したグラフである。

図１〜図１０を参照して本発明の実施形態に係るガス燃焼エンジン１を説明する。このガス燃焼エンジン１は、空気が不足して空気アシストが必要となるような急加速であるか否かを判断し、必要と判断された場合には、アシストのために用意しておいた圧縮空気を負荷に見合った量で適時にエンジンに供給することができることを特徴としている。

図１は、実施形態に係るガス燃料エンジン１の模式図である。図１に示すように、本実施形態のガス燃料エンジン１は、過給機２を備えたレシプロエンジンであり、船舶に搭載されて推進のために用いられる。このガス燃料エンジン１のエンジン本体３は複数の燃焼室４を有しており、各燃焼室４には図示しないピストンが設けられ、各ピストンの往復運動によって駆動軸５が回転するようになっている。ここで、図１において駆動軸５に設けられた負荷６とは、この実施形態では船舶のプロペラ等を意味している。

まず、このガス燃料エンジン１の構成を説明する。
図１に示すように、エンジン本体３に近接して設置された過給機２は、その構成要素として、回転軸７と、回転軸７の両端にそれぞれ連結されたタービン８及びコンプレッサ９とを有している。この過給機２は、エンジン本体３の各燃焼室４から排出された高温高圧の排気ガスを排気管１０でタービン８に導いて回転させ、これによって回転軸７を回動させてコンプレッサ９で空気を圧縮し、圧縮した空気を給気管１１を介してエンジン本体３の各燃焼室４に供給するように構成されている。

図１に示すように、前記給気管１１の中途には、分岐管１２が接続されている。分岐管１２の上流側には、上流側から順に、アシスト空気の制御弁として電動弁１３と遮断弁１４が取り付けられ、最上流にはアシスト空気の供給源として空気槽１５が接続されている。電動弁１３は、後述する制御部としてのガスコントローラ２０からの弁制御信号により、完全な閉止と最大開度の間で任意に開度が調節可能とされている。遮断弁１４は、後述する制御部としてのガスコントローラ２０が出力する弁制御信号としての開信号又は閉信号により、開放又閉止の何れかの状態に設定可能とされている。空気槽１５には予め圧縮空気が蓄えられている。空気槽１５の容量は例えば１２００リッターであり、その空気圧は例えば３ＭＰａである。これらの数値はエンジン本体３の大きさに応じて必要とされるアシスト空気量に対応して適宜に変更することができる。

図１に示すように、給気管１１において、分岐管１２が接続されている位置と燃焼室４の間の位置には、給気圧計１６が取り付けられている。給気圧計１６は、給気管１１内の空気の圧力を検出して空気圧信号を出力し、後述する制御部としてのガスコントローラ２０に供給する。

図１に示すように、エンジン本体３の駆動軸５には、トルク検出器１７と回転検出器１８が設けられている。トルク検出器１７は、駆動状態にあるエンジン本体３のトルクを検出してトルク信号を出力し、後述する制御部としてのガスコントローラ２０に供給する。回転検出器１８は、駆動状態にあるエンジン本体３の回転数を検出して回転数信号を出力し、後述する制御部としてのガスコントローラ２０に供給する。

図１に示すように、ガス燃料エンジン１には、エンジン本体３の回転数を所望の設定回転数に設定するための操作ハンドルである操船ハンドル１９が設けられている。船舶の操縦者は、この操船ハンドル１９を操作することにより、エンジン本体３の回転数（設定回転数Ｓ１）を設定して船舶の速度目標値を指定することができる。

図２は、実施形態のガス燃料エンジン１を制御するために必要な構成を示す機能ブロック図である。図２に示すように、ガス燃料エンジン１は制御部としてガスエンジンコントローラ２０を有しており、このガスエンジンコントローラ２０はガバナ２１と空気量制御装置２２を備えている。

ガバナ２１は、操船ハンドル１９によって設定されるエンジン本体３の設定回転数に応じた量の燃料ガスを燃焼室４に供給するために、図示しないガス供給手段のアクチュエータを制御して燃料ガスの供給量を制御する装置である。

空気量制御装置２２は、空気アシストが必要な急加速であるか否かを判断する急加速判断部２３と、負荷率及び加速度に応じてアシスト空気量を調節する流量調整部２４とを備えている。

急加速判断部２３には、操船ハンドル１９から出力されるエンジン本体３の設定回転数Ｓ１を示す設定回転数信号と、回転検出器１８から出力されるエンジン本体３の実際の回転数（機関実回転数Ｓ３）を示す回転数信号が入力される。

本実施形態の急加速判断部２３は、エンジン本体３が急加速されているか否かの判断を、後に詳述するように、２種類の制御手法によって行なう。第１の制御手法は、操船ハンドル１９の操作が比較的に急な場合に回転数に基づいて判断するものであり、第２の制御手法は、操船ハンドル１９の操作が比較的に緩やかな場合に加速度に基づいて判断するものである。

急加速判断部２３は、第１の制御に必要な制御データとして、エンジン本体３の上限回転数Ｓ２と、空気槽１５の空気をエンジン本体３に供給するアシスト制御を開始する場合の開始回転数閾値ΔＳ１と、アシスト制御を終了する場合の終了回転数閾値ΔＳ２を予め備えている。これらのデータは図示しない記憶部に読み出し自在に書き込まれている。上限回転数Ｓ２は、エンジン本体３について固有又は特有の値であり、一定の基準に基づいて定めることができる。開始回転数閾値ΔＳ１と終了回転数閾値ΔＳ２は、エンジン本体３の動特性が改善されるように、実験に基づいて定めることができる。

また、急加速判断部２３は、第２の制御に必要な制御データとして、空気槽１５の空気をエンジン本体３に供給するアシスト制御を開始する場合の開始加速度閾値Ａ１と、アシスト制御を終了する場合の終了加速度閾値Ａ２を備えている。これらのデータは図示しない記憶部に読み出し自在に書き込まれている。開始加速度閾値Ａ１と終了加速度閾値Ａ２は、エンジン本体３の動特性が改善されるように、実験に基づいて定めることができる。

流量調整部２４には、回転検出器１８から出力されるエンジン本体３の回転数を示す回転数信号と、トルク検出器１７から出力されるエンジン本体３のトルクを示すトルク信号と、給気圧計１６から出力される給気管１１内の空気の圧力を示す空気圧信号が入力される。

流量調整部２４は、アシスト制御を行なう際に、エンジン本体３の負荷に応じた適切な量の空気を供給するために必要な制御データとして、エンジン本体３の負荷と目標給気圧との関係についての給気制御データを備えている。当該データは図示しない記憶部に読み出し自在に書き込まれている。

次に、このガス燃料エンジン１を制御する場合における操船ハンドル１９の操作と機関回転数の関係について、図３及び図４を参照して説明する。これらの図は、操船ハンドル１９で設定される設定回転数Ｓ１と、エンジン制御における目標回転数となる上限回転数Ｓ２（これは加速上限に対応する）と、エンジン本体３の実際の回転数（機関実回転数Ｓ３）を示している。

このガス燃料エンジン１の制御では、操作者が操船ハンドル１９を操作することによってエンジン本体３の設定回転数Ｓ１が設定される。またエンジン本体３には、推進機関として適切な運転を行うために、回転数の上限、すなわち上限回転数Ｓ２又は上限加速度が定められている。

図３は、操船ハンドル１９の操作が比較的に急な場合である。
操船ハンドル１９の操作が急激であり、設定回転数Ｓ１が上限回転数Ｓ２を超えた場合には、この上限回転数Ｓ２を目標として回転数を変化させるように制御を行なう。このため、操船ハンドル１９の操作が急激な場合には、操船ハンドル１９により設定される設定回転数Ｓ１とエンジン本体３の目標回転数（上限回転数Ｓ２）は異なることになる。

図４は、操船ハンドル１９の操作が比較的に緩やかな場合である。
操船ハンドル１９の操作が緩やかであり、設定回転数Ｓ１が上限回転数Ｓ２を下回る場合には、操船ハンドル１９による設定回転数Ｓ１の値が目標回転数となり、設定回転数Ｓ１を目標として回転数を変化させるように制御を行なう。

次に、このガス燃料エンジン１の制御において、エンジン本体３が急加速された場合の空気アシスト制御について、図５〜図８を参照して説明する。図５は、操船ハンドル１９の操作が比較的急である場合を示し、図６はその制御手順を示すフローチャートである。また、図７は、操船ハンドル１９の操作が比較的緩やかである場合を示し、図８はその制御手順を示すフローチャートである。空気量制御装置２２の急加速判断部２３は、図５及び図６と、図７及び図８の２種類の制御手法を実行し、少なくとも一方の手法で以下に述べる急加速の条件が満たされた場合、急加速と判断して空気アシスト制御を行う。

図５を参照しながら、図６のフローチャートの各ステップに従って操船ハンドル１９の操作が急である場合の第１の制御手法について説明する。この制御は、空気量制御装置２２の急加速判断部２３が行なう。
制御開始後（Ｐ１１）、空気アシストＯＦＦを確認した後（Ｐ１２）、操船ハンドル１９による設定回転数Ｓ１と目標回転数である上限回転数Ｓ２の差を演算し、この差と開始回転数閾値ΔＳ１を比較する（Ｐ１３）。前記差が開始回転数閾値ΔＳ１を越えた場合（Ｐ１３、ＹＥＳ）には、遮断弁１４を開いて空気アシストを開始する（Ｐ１４）。また、操船ハンドル１９による設定回転数Ｓ１とエンジン本体３の機関実回転数Ｓ３の差を演算し、この差と終了回転数閾値ΔＳ２を比較する（Ｐ５）。前記差が終了回転数閾値ΔＳ２を下回った場合（Ｐ１５、ＹＥＳ）には、終了タイマーを始動させ（Ｐ１６）、所定の設定時間Ｔ１が経過した後（Ｐ１７、ＹＥＳ）に遮断弁１４を閉じて空気アシストを終了する（Ｐ１２）。このように、第１の制御では、急なハンドル操作を行なった場合に、設定回転数Ｓ１が上限回転数Ｓ２と異なることを利用して事前に急加速を判断する。

図７を参照しながら、図８のフローチャートの各ステップに従って操船ハンドル１９の操作が緩やかである場合の第２の制御手法について説明する。この制御は、空気量制御装置２２の急加速判断部２３が行なう。
制御開始後（Ｐ２１）、空気アシストＯＦＦを確認した後（Ｐ２２）、回転検出器１８から送られる回転数信号を微分してエンジン本体３の加速度ＡＣを演算し、この加速度ＡＣと開始加速度閾値Ａ１を比較する（Ｐ２３）。加速度ＡＣが開始回転数閾値ΔＳ１以上になった場合（Ｐ２３、ＹＥＳ）には、遮断弁１４を開いて空気アシストを開始する（Ｐ２４）。また、加速度ＡＣと終了加速度閾値Ａ２を比較し、加速度ＡＣが終了回転数閾値ΔＳ２以下になった場合（Ｐ２５、ＹＥＳ）には、終了タイマーを始動させ（Ｐ２６）、所定の設定時間Ｔ２が経過した後（Ｐ２７、ＹＥＳ）に遮断弁１４を閉じて空気アシストを終了する（Ｐ２２）。このように、第２の制御では、エンジン本体３の機関実回転数Ｓ３に基づいて加速度を監視し、急加速を判断する。

次に、このガス燃料エンジン１で空気アシストを行なう場合において、エンジン本体３の負荷に応じた適切な量の空気を供給する手法について、図９及び図１０を参照して説明する。図９は、空気アシスト制御における機関回転数の時間的な変化と、空気アシストにおける電動弁１３の開度及び給気圧の変化を示す図であり、図１０は空気アシストにおける電動弁１３の開度制御の手順を示す流れ図である。

図９を参照しながら、図１０のフローチャートの各ステップに従ってアシスト空気量の制御手法について説明する。この制御は、空気量制御装置２２の流量調整部２４が行なうが、本実施形態では、エンジン本体３の負荷と目標給気圧の関係を示す給気制御データを予め実験的に求めておき、これを先述したように流量調整部２４に格納しておく。
制御開始後（Ｐ３１）、電動弁１３を一定のレイトで全閉して空気アシストＯＦＦを確認する（Ｐ３２）。そして、先に説明したような第１又は第２の制御手法によって急加速が判断され、空気アシストが実行された場合（Ｐ３３、ＹＥＳ）には、給気制御データが示す負荷と目標給気圧との関係及びエンジン本体３の負荷によって給気圧の目標値を決定し、給気圧計１６が検出する給気圧を指標としてＰＩＤ制御で電動弁１３の開度を調整する（Ｐ３４）。この場合、給気圧目標値決定のための負荷は、回転検出器１８が検出する回転数とトルク検出器１７が検出するトルクから求める。この制御によって空気アシストにおける給気量の調整がエンジン本体３の負荷に応じて行なわれる。また、空気アシストが終了した場合（Ｐ３５）には、電動弁１３の開度を一定のレイトで減少させて全閉とする（Ｐ３２）。このように、この給気量制御では、空気アシストがＯＦＦの時には電動弁１３は全閉であり、空気アシストがＯＦＦからＯＮになった時には、ＰＩＤ制御によってエンジン本体３の負荷に応じた量の空気をアシストすることができ、空気アシストがＯＮからＯＦＦになった時には、一定の開度減少率で電動弁１３を閉めて全閉とすることができる。

なお、本実施形態では、遮断弁１４は、先述したように、アシストＯＦＦの条件が成立してから終了タイマーで設定された所定の設定時間Ｔ１又はＴ２が経過した後に遮断されるが、この終了タイマーによる所定の設定時間Ｔ１又はＴ２と、電動弁１３の閉止のレイトを適合させることにより、遮断弁１４の遮断のタイミングと電動弁１３が全閉されるタイミングが一致するようになっている。このため、アシストＯＦＦの場合には、アシストの空気は徐々に減少していき、最後は遮断弁１４の全閉によって漏れなく遮断することができる。

このように、本実施形態によれば、急速な負荷上昇に対応して空気アシストが行なわれている場合において、制御部である空気量制御装置２２は、回転数とトルクから負荷を算出し、給気制御データを参照して目標とする空気量を求め、弁制御信号によって電動弁１３の開度を制御する。空気槽１５からはエンジン本体３の負荷に応じた量の空気がアシストされるため、エンジン本体３を適切に制御することができる。

また、このガス燃料エンジン１では、燃料系と空気系が別であり、エアアシストにより空気は増えるが燃料が増えることはない。操船ハンドル１９の操作に対して、実際の回転数が低い場合には、状況によってはエアアシストをすることにより空気量が増えすぎて、むしろ燃焼の悪化に繋がるという可能性も考えられるが、実施形態によれば実回転の加速度及び給気圧により制御を行っているため、過度のエアアシストを行なうという問題がなく、適切に空気量を供給できる。

また、実施形態のガス燃料エンジン１は船舶用であり、相当大形のガスエンジンを想定しているため、そのアシスト制御には大量かつ高圧の空気が必要なため、アシスト用として例えば電動ファン等を用いる場合、大形となってしまい、瞬時にアシストすることが出来ない。また、瞬時にアシスト出来る小型の電動ファンでは容量が足りない。しかし、実施形態によれば圧縮空気を蓄えた空気槽１５を用いることにより、大量かつ高圧の空気を瞬時に供給することが出来る。

なお、実施形態のガス燃料エンジン１では、空気アシストが行なわれていない通常の運転時には、過給機２のコンプレッサ９側からエンジン本体３の燃焼室４に空気が供給されているが、その場合の給気量は、エンジン本体３において最適な空燃比を実現するように図示しないＡ／Ｆ（Air Fuel Ratio）制御装置によって制御されている。ところが、急速な負荷上昇に伴って空気アシストを開始し、その後、空気アシストを終了して空気槽１５からエンジン本体３への空気の供給を一気に打ち切るとすれば、エンジン本体３への給気は過給機２のコンプレッサ９側からの給気のみとなって燃焼室４に供給される空気量が急激に減少する。Ａ／Ｆ制御装置は、このように急激な空気量の変化に適切に対応することが困難な場合があり、条件によってはエンジン本体３の運転に支障を生じる可能性もある。

ところが、実施形態のガス燃料エンジン１によれば、エンジン本体３に生じた急速な負荷上昇が終了して空気アシストを終了する場合、流量調整部２４は、遮断弁１４を閉とするための条件が成立してから電動弁１３の開度を徐々に減少させて空気のアシスト量を絞って行き、終了タイマーが設定時間Ｔ１又はＴ２の経過を計測して遮断弁１４が遮断される時に、電動弁１３も完全に閉止されるように制御している。このように、空気アシストが終了してエンジン本体３への給気が過給機２のコンプレッサ９側からの給気のみに切り替わる際に、アシストされている空気の量を徐々に減少させていくため、エンジン本体３に供給される空気量が急激に減少することがなく、空気アシストが終了した後にＡ／Ｆ制御装置に引き継がれた過給機２による給気制御は円滑に行なわれ、エンジン本体３の運転に支障を生じることはない。

本実施形態によれば、以上の説明の他、さらに次のような効果が得られる。
図１１は、実施形態のガス燃料エンジン１において、急速な負荷上昇運転（過渡運転）を行なった場合における時間と負荷（右縦軸）の関係を線で示すとともに、時間と空気過剰率（左縦軸）の関係を定常運転の場合と、従来の過渡運転の場合と、本実施形態の過渡運転の場合とで比べて示したグラフである。このグラフの座標面は、空気過剰率が所定の失火限界よりも高い失火領域と、空気過剰率が所定のノッキング限界よりも低いノッキング領域と、空気過剰率が失火限界とノッキング限界の間である安定運転領域に分かれている。ガスエンジンを通常運転している場合には、空気過剰率は常に安定運転領域にあるが、空気アシストをしないで過渡運転のように急速な負荷上昇で操作した時には、空気量が不足して空気過剰率がノッキング領域まで下がる。しかしながら、本実施形態のように過渡運転時に空気アシストを行なった場合には、空気過剰率を安定運転領域に維持することが出来る。

図１２は、実施形態のガス燃料エンジン１において１５％から過渡運転を開始した場合の時間と負荷率の関係を従来と比べて示したグラフである。従来は、約１５％から７５％までしか負荷率を上げることができず、しかもそれに４分以上の時間を要していた。しかし、本実施形態では、１０数秒で１００％にまで到達できるようになった。すなわち、本実施形態によれば、空気槽１５に用意しておいた圧縮空気を用いて、燃焼室４に直接空気をアシストすることができるので、極めて短い応答遅れ時間で必要な空気を供給することができ、急激な負荷上昇の要求に短時間で無理なく応えることができる。これにより、ガス燃料エンジン１を船舶推進用として用いることの実現性が高くなった。

また、特許文献１で示したような従来のエンジンでは、助燃装置により空気をアシストしているため、空気アシストが必要となってから助燃装置の燃焼を開始したのでは間に合わない。そのため、空気アシストが必要となる前に予め助燃装置にて燃焼を行なう必要があり、助燃装置にて燃焼を行なっているにもかかわらず、空気アシストが必要でない場合は、助燃装置に供給された燃料は無駄になるという問題があった。しかし、本実施形態によれば、空気槽１５を用いることにより、空気アシストを使わない時は、燃料を使う必要がなく、燃料を無駄にすることがないという効果が得られる。

なお、以上説明した実施形態の空気アシスト制御では、急加速を判断する手法として操船ハンドル１９の操作が急である場合の第１の制御手法と、操船ハンドル１９の操作が比較的緩やかである場合の第２の制御手法の２種類の制御手法が実行可能であり、少なくとも一方の手法で急加速の条件が満たされた場合、急加速と判断して空気アシスト制御を行なっていた。しかし、何れか一方の制御手法を採用し、その手法のみで急加速の判断を行なうこととしても相応の効果を得ることができる。

１…ガス燃料エンジン
２…過給機
３…エンジン本体
６…負荷
８…タービン
９…コンプレッサ
１３…制御弁としての電動弁
１４…制御弁としての遮断弁
１５…空気の供給源としての空気槽
１６…吸気圧計
１７…トルク検出器
１８…回転検出器
１９…操作ハンドルとしての操船ハンドル
２０…制御部としてのガスエンジンコントローラ
２２…空気量制御装置
２３…急加速判断部
２４…流量調整部
Ｓ１…設定回転数
Ｓ２…上限回転数
Ｓ３…機関実回転数
ΔＳ１…開始回転数閾値
ΔＳ２…終了回転数閾値
ＡＣ…加速度
Ａ１…開始加速度閾値
Ａ２…終了加速度閾値
Ｔ１、Ｔ２…終了タイマーの設定時間

Claims

ガスを燃料とすることが可能なエンジン本体を備えたガス燃料エンジンにおいて、
前記エンジン本体の負荷が上昇する際の空気量不足を補うための空気が蓄えられた空気槽と、
前記空気槽と前記エンジン本体の間に設けられて前記空気槽の空気を前記エンジン本体に供給する制御弁と、
前記エンジン本体の負荷が上昇すると判断した場合に前記制御弁を制御することにより前記空気槽の空気を前記エンジン本体に供給させる制御部と、
を有することを特徴とするガス燃料エンジン。
前記エンジン本体の回転数を所望の設定回転数に設定する操作ハンドルと、前記エンジン本体の回転数を検出する回転検出器と、開又は閉に制御可能な前記制御弁としての遮断弁をさらに有することを前提とし、前記エンジン本体の上限回転数と、前記空気槽の空気を前記エンジン本体に供給する制御を開始するための開始回転数閾値を備えるとともに、前記エンジン本体の運転時に前記操作ハンドルで設定した設定回転数と前記上限回転数の差が前記開始回転数閾値を越えた場合に、前記遮断弁に開信号を与えるように制御する第１の制御と、
前記エンジン本体の回転数を検出する回転検出器と、開又は閉に制御可能な前記制御弁としての遮断弁をさらに有することを前提とし、前記空気槽の空気を前記エンジン本体に供給する制御を開始するための開始加速度閾値を備えるとともに、前記エンジン本体の運転時に前記回転検出器が出力する前記エンジン本体の回転数から加速度を算出し、前記加速度が前記開始加速度閾値を越えた場合に、前記遮断弁に開信号を与えるように制御する第２の制御と、
からなる制御群に含まれる制御のうち、少なくとも何れか一方を行なうように前記制御部が構成されていることを特徴とする請求項１に記載のガス燃料エンジン。
前記第１の制御を行なう前記制御部は、前記空気槽の空気を前記エンジン本体に供給する制御を終了するための終了回転数閾値を備えるとともに、前記エンジン本体の運転時に前記操作ハンドルで設定した設定回転数と前記回転数の差が前記開始回転数閾値よりも小さくなった場合に、前記遮断弁に閉信号を与え、
前記第２の制御を行なう前記制御部は、前記空気槽の空気を前記エンジン本体に供給する制御を終了するための終了加速度閾値を備えるとともに、前記エンジン本体の運転時に前記加速度が前記終了加速度閾値よりも小さくなった場合に、前記遮断弁に閉信号を与えることを特徴とする請求項２に記載のガス燃料エンジン。
前記エンジン本体のトルクを検出するトルク検出器と、開度が調節可能な前記制御弁としての電動弁をさらに有しており、
前記制御部は、前記エンジン本体の負荷と目標給気圧との関係についての給気制御データを備えるとともに、前記エンジン本体の運転時に前記回転検出器から取得した前記エンジン本体の回転数と前記トルク検出器から取得した前記エンジン本体のトルクから前記エンジン本体の負荷を算出し、当該負荷と前記給気制御データから弁制御信号を生成し、当該弁制御信号によって前記電動弁の開度を制御することを特徴とする請求項３に記載のガス燃料エンジン。
前記制御部は、前記遮断弁に前記閉信号を与える条件が成立した場合には、条件が成立してから所定時間経過後に前記遮断弁に前記閉信号を与えるとともに、条件が成立してから前記所定時間経過後に前記電動弁が閉止されるような所定の率に基づいて前記電動弁の開度を減少させて行くことを特徴とする請求項４に記載のガス燃料エンジン。