JP2019120142A - ガスエンジンの制御方法及びガスエンジンシステム - Google Patents

Abstract

【課題】過給機と接続されたガスエンジンにおいて、負荷が急上昇したときに、それに応じて燃料ガスの噴射量を迅速に増加できるようにする。【解決手段】実際にガスエンジンの負荷が上昇する前に負荷の上昇を予測し、予測される負荷の上昇度合いが所定の閾値を超えると、過給圧の増加を抑えながら過給機回転数を増加させ、ガスエンジンの負荷の上昇が検出されると、過給圧及び燃料噴射量を増加させるように、ガスエンジンを制御する。【選択図】図１１

Description

本発明は、過給機と接続されたガスエンジンの制御方法に関する。また、本発明は、それらの過給機及びガスエンジンを含むガスエンジンシステムに関する。

従来、船舶の主機関（推進用内燃機関）として用いられるガスエンジンが知られている。この種のガスエンジンが、例えば、特許文献１，２に開示されている。

特許文献１に開示されたガスエンジンは、過給機付きガスエンジンである。このガスエンジンの主室は、給気路を介して過給機の圧縮機と接続され、排気路を介して過給機のタービンと接続されている。給気路には、圧縮機から吐出される空気中に燃料ガスを噴射する燃料噴射弁が設けられている。ガスエンジンの副室には、空気と燃料ガスから成る点火可能な空気過剰率（空燃比ともいう）の混合気が供給され、主室には、空気と燃料ガスから成る希薄混合気が供給される。そして、点火装置により副室の混合気に点火を行い、副室内の混合気を燃焼させると、燃焼に伴う体積膨張により副室内の既燃ガスが主室へ噴出し、主室に噴出した高温の噴流は主室内の希薄混合気を着火させ主室内に火炎伝播する。

一般に、ガスエンジンにおいては、図１２に示すように、空気過剰率と正味平均有効圧（ＢＭＥＰ）との関係でノッキング領域及び失火領域が存在することが知られている。リーンバーンにおいて高出力を得るには、図中に範囲Ｘで示すように、空気過剰率をノッキング領域と失火領域の間に制御することが重要である。従って、定常運転時のガスエンジンでは、空気過剰率がノッキング領域と失火領域の間に収まるように、燃料噴射量と過給量とが制御される。

ガスエンジンの負荷が急上昇し、それに対応して燃料ガスを増やす際には、ガスエンジンに供給される空気も増やさなければ、範囲Ｘ中の作動点が左に移動してノッキング出現率がノッキング限界を超えてしまう。つまり、異常燃焼を生じさせずに、急負荷変動に追従する出力を得るためには、燃料ガスの増減の速度と対応する速度で空気を増減させる必要がある。しかし、過給機と接続されたガスエンジンでは、燃料ガスを増やしてもターボラグのために空気は直ぐには増加しないので、燃料ガスを迅速に増やすことができない。

そこで、特許文献１のガスエンジンでは、定常運転中に負荷が上昇すると負荷上昇運転を開始し、負荷上昇運転中に負荷の上昇度合いが相対的に大きくなれば、点火タイミングをリタードさせた上で実燃料噴射量を徐々に増加させるようにしている。これにより、ノッキング限界までの空気過剰率の余裕が大きくなり、実燃料噴射量を大きな幅で上昇させることが可能になるので、燃料ガスを迅速に増やすことができる。

ところで、海洋や河川を航行する船舶の主機関では、一般に、推進用プロペラと連結された推進軸又はそれと直結されたエンジンの回転数が与えられた目標回転数となるように、主機関への燃料供給量が制御される。船舶の推進用プロペラの回転数は、潮流、波、及び、船舶の舵角などによって短期に変化しやすい。

そこで、特許文献２では、推進用プロペラの回転数の短期の変動に対応して、要求される量の燃料をエンジンへ供給できるようにする技術が提案されている。より詳細には、特許文献２に開示されたエンジンでは、船舶に与える現在の舵角の情報と、現在の推進軸の回転数の情報と、船舶の現在の船速の情報とに基づいて、船舶の将来の予測船速を算出し、予測船速に基づいて予測トルクを算出し、予測トルクに基づいて予測燃料供給量を求め、予測燃料供給量に基づいて圧縮機によるエンジンへ供給される燃料の圧力を制御するようにしている。

特許６０４９９２１号公報 特開２０１６−２０５２７０号公報

一般に、船舶の主機関の制御装置は、負荷の上昇にエンジン出力が追従できなくなって、エンジンの回転数が低下して初めて負荷の上昇を検知し、この負荷の上昇に応じて燃料ガスを増加させるように指令を出す。しかし、このように実際の負荷の上昇が検知されるよりも前のタイミングで、将来の負荷の上昇を予測できる場合がある。例えば、船舶の舵角操作量が変化した場合には、変化後の舵角、船速や海流、波浪など諸々の条件によるが、実際に舵角操作量が変化して負荷が変動するまでにタイムラグが生じることがある。

特許文献１では、点火タイミングをリタードさせた上で実燃料噴射量を徐々に増加させることにより、燃料ガスを迅速に増やすことができるようにしているが、前述のように将来の負荷の上昇を事前に予測できる場合には、負荷が実際に上昇する前に過給量を増やしておくことで、負荷の上昇時に燃料ガスをより迅速に増やすことが可能となる。

そこで本発明では、過給機と接続されたガスエンジンにおいて、負荷が急上昇したときに、それに応じて燃料ガスの噴射量を迅速に増加できるようにして、これにより、負荷応答性（要求出力に対する実出力の追従性）を向上させることを目的とする。

本発明の一態様に係るガスエンジンの制御方法は、圧縮機及びタービンを含む過給機と接続されたガスエンジンの制御方法であって、
実際に前記ガスエンジンの負荷が上昇する前に負荷の上昇を予測し、予測される負荷の上昇度合いが所定の閾値を超えると、過給圧の増加を抑えながら過給機回転数を増加させ、
前記ガスエンジンの負荷の上昇が検出されると、前記過給圧及び燃料噴射量を増加させることを特徴としている。
なお、ガスエンジンの負荷の上昇度合いの指標として、ガスエンジンの目標回転数と実回転数との差、目標出力と要求出力との差、必要燃料噴射量と実燃料噴射量との差、及び、目標過給圧と実過給圧との差のうち少なくとも１つを用いてよい。

また、本発明の一態様に係るガスエンジンシステムは、
圧縮機及びタービンを含む過給機と、
前記圧縮機と給気路を介して接続され、前記タービンと排気路を介して接続されたガスエンジンと、
前記給気路を通じて前記ガスエンジンに供給される空気中に燃料ガスを噴射する燃料噴射機構と、
前記過給機、ガスエンジン、及び、前記燃料噴射機構を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、実際に前記ガスエンジンの負荷が上昇する前に負荷の上昇を予測し、予測される負荷の上昇度合いが所定の閾値を超えると、過給圧の増加を抑えながら過給機回転数を増加させる処理を行い、前記定常運転中に前記ガスエンジンの負荷の上昇が検出されると、前記過給圧及び燃料噴射量を増加させる処理を行うことを特徴としている。

上記ガスエンジンの制御方法及びガスエンジンシステムによれば、実際にガスエンジンの負荷が上昇する前に負荷の上昇を予測し、負荷の上昇に先だって過給機回転数を増加させることができる。従って、実際にガスエンジンの負荷が上昇した際に、既に過給機回転数が増加した状態にあるので直ちに過給圧を増加させることができ、適切な空気過剰率の範囲内において速やかに燃料噴射量を増やすことができる。これにより、ガスエンジンの負荷応答性（要求出力に対する実出力の追従性）を向上させることができる。

上記ガスエンジンシステムにおいて、前記給気路に当該給気路から気体を逃がす給気ブローオフ弁が設けられており、前記制御装置は、前記過給機回転数を増加させる処理では、前記過給機回転数の増加に伴う前記過給圧の増加を抑えるように前記給気ブローオフ弁の開度を増加させ、前記過給圧を増加させる処理では、前記給気ブローオフ弁の開度を減少又は閉止させるように前記給気ブローオフ弁を制御してよい。

これにより、過給圧の増加を抑えながら過給機回転数の増加を回転させることができ、また、過給圧の増加を抑えながら過給機回転数を増加させた状態で速やかに過給圧を高めることができる。

上記ガスエンジンの制御方法及びガスエンジンシステムにおいて、前記ガスエンジンが船舶の主機関であり、予測される前記ガスエンジンの負荷の上昇が、前記船舶の舵角操作量の変化に応じて舵角が変化する際の前記ガスエンジンの負荷の上昇であってよい。

また、上記ガスエンジンの制御方法及びガスエンジンシステムにおいて、前記ガスエンジンが旋回式スラスタを備える船舶の主機関であり、予測される前記ガスエンジンの負荷の上昇が、前記船舶の舵角操作量の変化に応じて前記旋回式スラスタが旋回を開始してからの前記ガスエンジンの負荷の上昇であってよい。

上記のように前記船舶の舵角操作量が変化する場合には、舵角操作量が変化してから実際にガスエンジンの負荷が上昇するまでにタイムラグが生じることがあり、このタイムラグを利用して、実際の負荷の上昇に備えて、過給機回転数を増加させておくことができる。

上記ガスエンジンの制御方法において、前記過給機回転数を増加させることが、前記ガスエンジンの燃焼室へ送る燃料ガスと空気の混合気の空気過剰率を増加させること、点火タイミングをリタードさせること、パイロット燃料噴射タイミングをリタードさせること、前記圧縮機の回転をジェットアシストすること、前記タービンのノズルの開口面積を小さくすること、及び、前記燃焼室の排気路から系外へ排出されるガスを減少させることの少なくとも１つを含んでいてよい。

上記ガスエンジンシステムにおいて、前記給気路に当該給気路から気体を逃がす給気ブローオフ弁が設けられており、前記過給機回転数を増加させる処理が、前記ガスエンジンの燃焼室へ送る燃料ガスと空気の混合気の空気過剰率を増加させるように、前記給気ブローオフ弁を動作させる処理であってよい。

或いは、上記ガスエンジンシステムにおいて、前記ガスエンジンは、前記燃料ガスと前記空気の混合気に点火する点火装置を有し、前記過給機回転数を増加させる処理が、点火タイミングをリタードさせるように、又は、パイロット燃料噴射タイミングをリタードさせるように前記点火装置を動作させる処理であってよい。

或いは、上記ガスエンジンシステムにおいて、前記圧縮機に、高圧空気源から供給される高圧空気を供給するノズルと、前記高圧空気源と前記ノズルとの間に設けられたジェットアシスト弁とが設けられており、前記過給機回転数を増加させる処理が、前記圧縮機の回転が前記ノズルから噴出する高圧空気によってジェットアシストされるように、前記ジェットアシスト弁を切り替える処理であってよい。

或いは、上記ガスエンジンシステムにおいて、前記過給機は、タービンインペラに排ガスを吹き付けるノズルの開度が可変であり、前記過給機回転数を増加させる処理が、前記ノズルの開口面積を小さくする処理であってよい。

或いは、上記ガスエンジンシステムにおいて、前記排気路に当該排気路から気体を逃がす排気ウエストゲート弁を設け、前記過給機回転数を増加させる処理が、前記排気ウエストゲート弁の開度を減少させる処理であってよい。

上記の過給機回転数を増加させる処理のいずれによっても、ガスエンジンの定常運転に与える影響を抑えつつ、過給機回転数を増加させることができる。

本発明によれば、過給機と接続されたガスエンジンにおいて、負荷が急上昇したときに、それに応じて燃料ガスの噴射量を迅速に増加させることができる。これにより、ガスエンジンの負荷応答性の向上が期待される。

図１は、本実施形態に係るガスエンジンが搭載された船舶の一例を示す図である。 図２は、図１に示す船舶の舶用推進装置の拡大図である。 図３は、ガスエンジンシステムの概略構成図である。 図４は、ガスエンジンの要部の断面図である。 図５は、ガスエンジンシステム及び舶用推進装置の制御系統の構成を示す図である。 図６は、特定の回転数及び燃料噴射量における空気比ごとの点火タイミングとノッキング出現率との関係を示すグラフである。 図７は、負荷上昇運転のフローチャートである。 図８（ａ）は、負荷の上昇度合いが相対的に小さい場合の必要燃料噴射量Ｑ及び実燃料噴射量ｑの経時的変化を示すグラフ、図８（ｂ）は、負荷の上昇度合いが相対的に大きい場合の必要燃料噴射量Ｑ及び実燃料噴射量ｑの経時的変化を示すグラフである。 図９（ａ）は、実燃料噴射量ｑ及び実回転数Ｎに応じて空気過剰率の第１下限値が定められた空気過剰率第１下限マップであり、図９（ｂ）は、実燃料噴射量ｑ及び実回転数Ｎに応じて空気過剰率の第２下限値が定められた空気過剰率第２下限マップである。 図１０は、舵角操作量が変化した際の、旋回角の変化とガスエンジンの負荷の変動との経時的変化を示すグラフである。 図１１は、負荷上昇準備処理のフローチャートである。 図１２は、ガスエンジンにおけるノッキング領域及び失火領域を示す、横軸に空燃比、縦軸に正味平均有効圧をとったグラフである。

次に、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は、本実施形態に係るガスエンジン２が搭載された船舶１１の一例を示す図であり、図２は図１に示す船舶１１の舶用推進装置８の拡大図である。図１の船舶１１は、主機関としてガスエンジン２を搭載し、舶用推進装置８として旋回式スラスタ（アジマススラスタ）を備えたタグボートである。但し、本発明が適用される船舶１１は本実施形態に限定されない。

〔舶用推進装置８の構成〕
舶用推進装置８は、船体底部に設置されるプラットホーム８０の上部に固設された上部ギヤボックス８１と、プラットホーム８０の下部に旋回可能に支持された旋回筒８２と、旋回筒８２の端部に設けられた推進翼（プロペラ）８３と、上部ギヤボックス８１及び旋回筒８２内に構成された推進翼８３の駆動機構と、旋回筒８２を旋回駆動する旋回駆動装置８４とを備えている。

上部ギヤボックス８１の内部には、動力の伝達と遮断を切り替えるクラッチ８５と、動力の伝達方向を変換するギヤ群とが設けられている。上部ギヤボックス８１への入力軸８６には、主機関であるガスエンジン２の駆動力が、中間軸や継手などを介して伝達される。

上部ギヤボックス８１内には、入力軸８６と軸心が同一直線をなすように、入力軸８６と直列的に並べられた水平軸８７が配置されている。水平軸８７と入力軸８６との間には、入力軸８６と水平軸８７との間で動力の伝達と遮断を切り替えるクラッチ８５が設けられている。

上部ギヤボックス８１内には、水平軸８７と一体的に回転する上部ベベルピニオンギヤ８８が設けられている。この上部ベベルピニオンギヤ８８は、上部ベベルホイールギヤ８９と噛合している。上部ベベルホイールギヤ８９は、水平軸８７と略直交し且つプラットホーム８０に対し略垂直に配置された垂直軸９０の上端部に設けられている。

垂直軸９０は、旋回筒８２内に挿入され、旋回筒８２に回動可能に支持されている。旋回筒８２内において、垂直軸９０の下端部には下部ベベルピニオンギヤ９１が設けられている。また、旋回筒８２の下部には、下部ベベルピニオンギヤ９１と噛合する下部ベベルホイールギヤ９２が設けられた推進軸９３が挿入されている。推進軸９３は垂直軸９０と略直交するように配置され、旋回筒８２から突出した端部に推進翼８３が設けられている。推進翼８３の周囲には、断面が翼型の円筒形ダクト９４が設けられている。

旋回筒８２の上端部は、プラットホーム８０に旋回輪軸受（図示略）を介して旋回可能に吊り下げられている。旋回筒８２の上端部の内周縁には旋回ギヤ９５が形成されている。この旋回ギヤ９５は、プラットホーム８０に固定された旋回モータ９６の回転出力によって回転する駆動ギヤ９７と噛合している。旋回モータ９６は、油圧又は電動モータであってよい。旋回筒８２の旋回角（旋回位置）は、旋回角センサ６６によって検出される。

上記構成の舶用推進装置８は、ガスエンジン２の駆動力が入力軸８６から、クラッチ８５を介して水平軸８７へ伝達されると、水平軸８７が回転する。水平軸８７の回転は、上部ベベルギヤ機構８８，８９を介して垂直軸９０に伝達され、更に、垂直軸９０から下部ベベルギヤ機構９１，９２を介して推進軸９３へ伝達され、推進翼８３が推進軸９３と一体的に回転する。推進翼８３が回転すると、ダクト９４内に吸い込まれた海水が噴出し、この噴出流によって船体が推進される。

また、上記構成の舶用推進装置８では、旋回モータ９６によって駆動ギヤ９７を回転させることにより、旋回筒８２を水平方向に３６０°旋回させることができる。そして、旋回筒８２を任意の位置へ旋回させることにより、船体を任意の方向に操舵することができる。

〔ガスエンジンシステム１の構成〕
図３は、ガスエンジンシステム１の概略構成図である。図３に示すガスエンジンシステム１は、ガスエンジン２、過給機３、及び、制御装置７（図４参照）を備えている。本実施形態では、推進翼８３が取り付けられた推進軸９３がガスエンジン２により直接的に駆動される。但し、推進軸９３は、モータ及び発電機（いずれも図示略）を介して間接的にガスエンジン２により駆動されてもよい。

ガスエンジン２は、燃料ガス（例えば、天然ガス）のみを燃焼させるガス専焼エンジンであってよい。但し、ガスエンジン２は、状況によって燃料ガスと燃料油の一方又は双方を燃焼させる二元燃料エンジンであってもよい。また、本実施形態では、ガスエンジン２は４ストロークエンジンであるが、ガスエンジン２は２ストロークエンジンであってもよい。

図４は、ガスエンジン２の要部の断面図である。ガスエンジン２は、複数のシリンダ２１を有する（図４では１つのシリンダ２１のみを図示）。各シリンダ２１内にはピストン２２が往復動自在に配設されており、シリンダ２１及びピストン２２によって燃焼室２０が形成されている。ピストン２２は、図略の連接棒により図略のクランク軸と連結されている。

各シリンダ２１において、ピストン２２が二往復することにより、ガスエンジン２の１サイクル（給気、圧縮、膨張、排気）が行われる。各シリンダ２１における１サイクルの間のガスエンジン２の位相角（０〜７２０度）は、位相角検出器６３により検出される。位相角としては、クランク軸の回転角（クランク角）やピストン２２の位置などを用いることができる。例えば、位相角検出器６３は、電磁ピックアップ、近接スイッチ又はロータリーエンコーダである。また、位相角検出器６３からは、ガスエンジン２の実回転数Ｎも検出される。

図３に戻って、過給機３は、圧縮機３１とタービン３２を含む。ガスエンジン２は、給気路４１を介して圧縮機３１と接続されているとともに、排気路４２を介してタービン３２と接続されている。給気路４１は、圧縮機３１で圧縮された空気を各シリンダ２１に導き、排気路４２は、各シリンダ２１から燃焼後の排ガスをタービン３２に導く。給気路４１には、給気路４１から気体を逃がして給気路４１の圧力を開放する給気ブローオフ弁４８が設けられている。また、排気路４２には、排気路４２から気体の一部を分流させることによりタービン３２への流入量を調節する排気ウエストゲート弁４９が設けられている。なお、給気路４１の下流側部分及び排気路４２の上流側部分は実際はシリンダ２１と同数の分岐路にマニホールドから分岐しているが、図３では図面の簡略化のために給気路４１及び排気路４２を１本の流路で描いている。

給気路４１には、圧縮機３１で圧縮された空気を冷却するための放熱器４３が設けられている。また、給気路４１の放熱器４３より下流側には、圧縮機３１の吐出圧である実過給圧Ｐを検出する第１圧力センサ６１と、給気路４１を通じて燃焼室２０に導入される空気の温度である過給温を検出する温度センサ６５とが設けられている。第１圧力センサ６１は、給気路４１の下流側の上述した各分岐路に設けられていてもよいし、上述したマニホールドに１つだけ設けられていてもよい。同様に、温度センサ６５は、給気路４１の下流側の上述した各分岐路に設けられていてもよいし、上述したマニホールドに１つだけ設けられていてもよい。

更に、給気路４１には、シリンダ２１ごとに、圧縮機３１から吐出される空気中に燃料ガスを噴射する主燃料噴射弁５１（本発明の燃料噴射機構に相当）が設けられている。但し、本発明の燃料噴射機構は、ガスエンジン２に供給される空気中に燃料ガスを噴射するものであれば、必ずしも燃料噴射弁５１でなくてよい。例えば、燃料噴射機構が、圧縮機３１の吸入口に接続された空気供給路に合流する燃料ガス供給路と、この燃料ガス供給路に設けられた燃料流量制御弁を含み、圧縮機３１に吸入される空気中に燃料ガスを噴射するように構成されていてもよい。

各シリンダ２１には、給気路４１の燃焼室２０に対する開口である給気ポートを開閉する給気弁２３と、排気路４２の燃焼室２０に対する開口である排気ポートを開閉する排気弁２４が設けられている。また、各シリンダ２１には、燃焼室２０内で燃料ガスと空気の混合気に点火するための点火装置５５が設けられている。

本実施形態では、燃焼室２０が、給気路４１及び排気路４２と連通する主室２０Ａと、連通孔が設けられた隔壁２５により主室２０Ａと隔てられた副室２０Ｂとからなる。点火装置５５は副室２０Ｂに配置されており、副室２０Ｂ内には副燃料噴射弁５２から燃料ガスが噴射される。副燃料噴射弁５２からの燃料ガスの噴射により副室２０Ｂ内にはリッチな混合気が形成され、この混合気が点火装置５５により点火される。これにより副室２０Ｂ内に火炎が発生し、その火炎が隔壁２５の連通孔を通じて主室２０Ａ内に伝播することにより主室２０Ａ内のリーンな混合気にも点火される。主室２０Ａには、当該主室２０Ａ内の圧力である筒内圧を検出する第２圧力センサ６２が設けられている。燃焼後の排ガスは、排気路４２を通じて燃焼室２０からタービン３２に導入されて、ここで圧縮機３１を駆動する動力として使用される。

〔ガスエンジンシステム１の制御系統の構成〕
以下、ガスエンジンシステム１の制御系統の構成について説明する。図５は、ガスエンジンシステム１及び舶用推進装置８の制御系統の構成を示す図である。制御装置７は、舶用推進装置８の動作を制御する推進装置制御部７１と、ガスエンジンシステム１の動作を制御するエンジン制御部７２とを含む。制御装置７は、いわゆるコンピュータであって、ＣＰＵ等の演算処理部、ＲＯＭ、ＲＡＭ等の記憶部を有している（いずれも図示せず）。記憶部には、演算処理部が実行するプログラム、各種固定データ等が記憶されている。演算処理部は、外部装置とのデータ送受信を行う。また、演算処理部は、各種センサからの検出信号の入力や各制御対象への制御信号の出力を行う。制御装置７は、記憶部に記憶されたプログラム等のソフトウェアを演算処理部が読み出して実行することにより、ガスエンジンシステム１や舶用推進装置８の動作を制御するための処理を行う。なお、制御装置７は単一のコンピュータによる集中制御により各処理を実行してもよいし、複数のコンピュータの協働による分散制御により各処理を実行してもよい。また、制御装置７は、マイクロコントローラ、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）等から構成されていてもよい。

船体に設けられた図示しない操縦室には、舵角を操作入力するための舵角操作具７３と、ガスエンジン２の回転数や前進／後進を操作入力する操船操作具７４とが設けられている。舵角操作具７３を介して、操縦者が入力した舵角操作情報が制御装置７へ入力される。操船操作具７４を介して、操縦者が入力した操船操作情報が制御装置７へ入力される。これらの操作具７３，７４は、例えば、ハンドルやレバーであってよい。

制御装置７は、舵角操作具７３、操船操作具７４、船速計６７、旋回駆動装置８４、及び、旋回角センサ６６と有線又は無線の情報通信手段を介して通信可能に接続されている。

制御装置７は、舵角操作具７３を介して入力された舵角操作情報と旋回角センサ６６で検出された実旋回角などとに基づいて、舶用推進装置８の旋回駆動装置８４の動作を制御する。具体的に、制御装置７は、舵角操作情報と実旋回角とを取得し、舵角操作情報に基づいて目標旋回角を求め、実旋回角が目標旋回角となるように旋回角指示値を生成し、旋回角指示値を旋回駆動装置８４へ出力する。旋回駆動装置８４では、取得した旋回角指示値に基づいて、旋回モータ９６が動作し、その結果、推進翼８３の実旋回角が舵角操作情報と対応する目標旋回角となる。

また、制御装置７は、ガスエンジンシステム１の主燃料噴射弁５１、副燃料噴射弁５２、点火装置５５、第１圧力センサ６１、第２圧力センサ６２、位相角検出器６３、温度センサ６５、ジェットアシスト弁３７、給気ブローオフ弁４８、及び、排気ウエストゲート弁４９と有線又は無線の情報通信手段を介して通信可能に接続されている。

制御装置７は、シリンダ２１ごとに、位相角検出器６３で検出される位相角に基づいて燃料噴射弁５１，５２及び点火装置５５を制御する。具体的に、制御装置７は、負荷が殆ど変化しない間は定常運転を行い、定常運転中に負荷が上昇すると負荷上昇運転に移行する。定常運転及び負荷上昇運転の双方において、制御装置７は、操船操作具７４の操作量に基づく目標回転数ＮＴに実回転数Ｎを維持するＰＩＤ制御も行う。なお、定常運転とは、ガスエンジン２の負荷の高低に関係なく、燃料噴射量が略一定の運転である。負荷が上昇する要因としては、船舶１１の操縦者による船速アップの指令、船体が強い風波を受けたときの船速維持の指令、推進翼８３が可変ピッチプロペラである場合にはプロペラピッチが大きくされることなどがある。

本実施形態では、制御装置７が、要求出力に応じた必要燃料噴射量Ｑ（要求出力を得るのに必要な燃料ガスの噴射量）を算出する。具体的に、制御装置７は、操船操作具７４の操作量に基づく目標回転数ＮＴと、位相角検出器６３で検出された実回転数Ｎと、船速計６７で検出された現在の船速である実船速と、記憶部に予め記憶された船体性能モデルなどとに基づいてガスエンジン２の要求出力を求め、要求出力と実出力との差を求め、要求出力と実出力との差から必要燃料噴射量Ｑを算出する。本実施形態では、燃料ガスが主燃料噴射弁５１から間欠的に噴射されるので、燃料噴射量は、一回あたりの燃料ガスの噴射量である。但し、特許文献１と同様に燃料ガスが連続的に噴射される場合は、燃料噴射量は、燃料ガスの流量であってもよい。

〔ガスエンジンシステム１の制御方法〕
前述の通り、制御装置７は、負荷が殆ど変化しない間は定常運転を行い、定常運転中に負荷が上昇すると負荷上昇運転に移行する。更に、制御装置７は、定常運転中に、負荷の上昇を予測し、実際の負荷の上昇に先だって過給圧の増加を抑えながら過給機回転数を増加させる負荷上昇準備処理を行う。以下、ガスエンジン２の（１）定常運転、（２）負荷上昇運転、及び、（３）負荷上昇準備処理について詳細に説明する。なお、以下ではガスエンジン２の１つのシリンダ２１に対する制御を代表して説明するが、全てのシリンダ２１に対しても同様の制御が行われる。

（１）定常運転
本実施形態に係るガスエンジン２では、定常運転としてノッキング制御運転を行う。但し、定常運転は、空気過剰率がノッキング領域と失火領域の間に収まるように、燃料噴射量と過給量とが調整される制御であれば、本実施形態に限定されない。

ノッキング制御運転は、ＮＯＸの排出量が少なくかつ高効率が実現可能なリーンバーンのうちでも最も高い効率が得られるように点火タイミングを最適化するものである。具体的には、ガスエンジン２の各シリンダ２１において、リーンバーンを実現する空気過剰率λを一定に保ったままで、所定サイクル数ごとに、その間のノッキング出現率と目標出現率との差に基づいて点火タイミングがアドバンスされたりリタードされたりする。点火タイミングは、例えば、ピストン２２が上死点に位置するタイミングを基準（０度）とし、そこからどれだけ早い段階で点火を行うかをガスエンジン２の位相角で示すものである。

ノッキング制御運転では、第２圧力センサ６２で検出される筒内圧に基づく制御が行われる。まず、制御装置７は、第２圧力センサ６２で検出される筒内圧に基づいて、１サイクルごとに、燃焼状態が、大ノック、小ノック、通常、失火のいずれであったかを判定する。そして、制御装置７は、所定サイクル数Ｃｙに対する小ノックが出現したサイクル数ＣｙＬの比率であるノッキング出現率Ｒ（Ｒ＝ＣｙＬ／Ｃｙ）を算出する。

ノッキング出現率Ｒを算出した後は、制御装置７は、ノッキング出現率Ｒと目標出現率ＲＴとの差ΔＲ（ΔＲ＝ＲＴ−Ｒ）を算出する。目標出現率ＲＴは、ガスエンジン２に大きな損傷を与えることなく高い効率が得られる比率であり、実験又は数値シミュレーションにより予め決定される。また、目標出現率ＲＴは、図６に示すように、ノッキング限界ＲＬよりも少し低い値に設定される。そして、制御装置７は、算出した差ΔＲにゲインＫを積算した値を点火タイミングの補正値βとし（β＝ΔＲ×Ｋ）、現在の点火タイミングｉＴ’に補正値βを加えた値を新たな点火タイミングｉＴとする（ｉＴ＝ｉＴ’＋β）。補正値βが正の場合、すなわちノッキング出現率Ｒが目標出現率ＲＴよりも小さな場合は点火タイミングが補正値βだけアドバンスされ、補正値βが負の場合、すなわちノッキング出現率Ｒが目標出現率ＲＴよりも大きな場合は点火タイミングが補正値βだけリタードされる。このようにして、点火タイミングｉＴは最適なタイミングに調整される。

（２）負荷上昇運転
定常運転中に負荷が上昇（すなわち、必要燃料噴射量Ｑが増加）すると、制御装置７は負荷上昇運転に移行する。負荷上昇運転では、第１圧力センサ６１で検出される実過給圧Ｐ、温度センサ６５で検出される過給温及び位相角検出器６３で検出されるガスエンジン２の実回転数Ｎに基づく制御が行われる。図７は負荷上昇運転のフローチャートである。

まず、制御装置７は、必要燃料噴射量Ｑの上昇速度Ｖ（Ｖ＝ｄＱ／ｄｔ）を算出する（ステップＳ１）。図８（ａ）に負荷の上昇度合いが相対的に小さい場合、すなわち必要燃料噴射量Ｑの上昇速度Ｖが遅い場合を示し、図８（ｂ）に負荷の上昇度合いが相対的に大きい場合、すなわち必要燃料噴射量Ｑの上昇速度Ｖが速い場合を示す。

ついで、制御装置７は、算出した上昇速度Ｖを閾値αと比較する（ステップＳ２）。図６に示すように、ノッキング制御運転において調整された点火タイミングｉＴでのノッキング限界ＲＬを通る線である空気過剰率の第１下限λ１まで、燃料ガスを増やすことができる。

燃料ガスを増やした場合には、必要燃料噴射量Ｑの上昇速度Ｖが遅いときは、図８（ａ）に示すように、実燃料噴射量ｑが必要燃料噴射量Ｑとなる時期Ｂが必要燃料噴射量Ｑの上昇指示終了点Ａからそれほど遅れることはない。しかし、必要燃料噴射量Ｑの上昇速度Ｖが速いときは、図８（ｂ）中に二点鎖線で示すように、実燃料噴射量ｑが必要燃料噴射量Ｑとなる時期Ｂが必要燃料噴射量Ｑの上昇指示終了点Ａから大きく遅れることになる。閾値αは、第１下限λ１に基づいて制御したときに上昇指示終了点Ａから時期Ｂまでの遅れが許容できない場合の上昇速度である。このような閾値αは、実験又は数値シミュレーションにより予め決定される。なお、閾値αは、実燃料噴射量ｑ及び実回転数Ｎごとに定められていてもよい。

必要燃料噴射量Ｑの上昇速度Ｖが閾値α以下である場合はステップＳ３に進み、上昇速度Ｖが閾値αよりも大きい場合はステップＳ８に進む。なお、本実施形態では、上昇速度Ｖが閾値αと等しい場合はステップＳ３に進むようになっているが、上昇速度Ｖが閾値αと等しい場合はステップＳ８に進んでもよい。

ステップＳ３以降では、制御装置７は、ノッキング制御運転において調整された点火タイミングｉＴを維持したままで、空気過剰率λが第１下限λ１を超えないように実燃料噴射量ｑを徐々に増加させる。空気過剰率λは、実燃料噴射量ｑ、第１圧力センサ６１で検出される実過給圧Ｐ及び温度センサ６５で検出される過給温から求められる。

まず、制御装置７は、図９（ａ）に示す空気過剰率第１下限λ１マップを選択する（ステップＳ３）。空気過剰率第１下限λ１マップでは、実燃料噴射量ｑ及び実回転数Ｎに応じて空気過剰率の第１下限値λ１_ｌ，ｋ（１≦ｌ≦ｉ、１≦ｋ≦ｊ）が定められている。制御装置７は、空気過剰率第１下限λ１マップを使用して、実燃料噴射量ｑと実回転数Ｎから第１下限λ１を決定する（ステップＳ４）。なお、空気過剰率第１下限λ１マップは、実燃料噴射量ｑ及び実回転数Ｎに加えて過給温を変数とする三次元マップであってもよい。

その後、制御装置７は、実燃料噴射量ｑ、第１圧力センサ６１で検出される実過給圧Ｐ及び温度センサ６５で検出される過給温から現在の空気過剰率λを算出し、算出した空気過剰率λをステップＳ４で決定した第１下限λ１にするのに必要な燃料噴射量の増加幅Δｑを算出する（ステップＳ５）。空気過剰率λは、実過給圧Ｐ及び過給温から求められる実際に燃焼室２０に供給される空気量を、実燃料噴射量ｑの燃料ガスを完全に燃焼させるのに必要な理論空気量で割った値である。

増加幅Δｑを算出した後は、制御装置７は、実燃料噴射量ｑをΔｑだけ増加させ（ステップＳ６）、実燃料噴射量ｑが必要燃料噴射量Ｑ以上になったか否かを判定する（ステップＳ７）。実燃料噴射量ｑが必要燃料噴射量Ｑ未満であればステップＳ１に戻り、実燃料噴射量ｑが必要燃料噴射量Ｑ以上であれば、負荷上昇運転を終了して定常運転に戻る。

一方、ステップＳ８以降では、制御装置７は、点火タイミングｉＴを角度εだけリタードさせた上で、空気過剰率λが第１下限λ１よりも小さな第２下限λ２を超えないように実燃料噴射量ｑを徐々に増加させる。図６に示すように、第２下限λ２は、点火タイミングｉＴを角度εだけリタードさせたときのノッキング限界ＲＬを通る線である。これにより、図８（ｂ）に示すように、実燃料噴射量ｑが必要燃料噴射量Ｑとなる時期Ｃは、時期Ｂよりも大幅に早められる。

まず、制御装置７は、点火タイミングｉＴを角度εだけリタードさせる（ステップＳ８）。リタードさせる角度εは、実燃料噴射量ｑと実回転数Ｎから決定してもよいし、第１圧力センサ６１で検出される実過給圧Ｐと実回転数Ｎから決定してもよい。角度εと実燃料噴射量ｑ及び実回転数Ｎとの関係を表す情報、又は、角度εと実過給圧Ｐ及び実回転数Ｎとの関係を表す情報は、予め記憶部に記憶されており、制御装置７はそれを利用して角度εを求めることができる。

点火タイミングｉＴをリタードさせた後は、制御装置７は、図９（ｂ）に示す空気過剰率第２下限λ２マップを選択する（ステップＳ９）。空気過剰率第２下限λ２マップでは、実燃料噴射量ｑ及び実回転数Ｎに応じて空気過剰率の第２下限値λ２_ｌ，ｋ（１≦ｌ≦ｉ、１≦ｋ≦ｊ）が定められている。全ての第２下限値λ２_ｌ，ｋは、対応する、すなわち実燃料噴射量ｑ及び実回転数Ｎが同一の第１下限値λ１_ｌ，ｋよりも小さい。制御装置７は、空気過剰率第２下限λ２マップを使用して、実燃料噴射量ｑと実回転数Ｎから第２下限λ２を決定する（ステップＳ１０）。なお、空気過剰率第２下限λ２マップは、実燃料噴射量ｑ及び実回転数Ｎに加えて過給温を変数とする三次元マップであってもよい。

その後、制御装置７は、実燃料噴射量ｑ、第１圧力センサ６１で検出される実過給圧Ｐ及び温度センサ６５で検出される過給温から現在の空気過剰率λを算出し、算出した空気過剰率λをステップＳ１０で決定した第２下限λ２にするのに必要な燃料噴射量増加幅Δｑを算出する（ステップＳ１１）。

増加幅Δｑを算出した後は、制御装置７は、実燃料噴射量ｑをΔｑだけ増加させ（ステップＳ１２）、実燃料噴射量ｑが必要燃料噴射量Ｑ以上になったか否かを判定する（ステップＳ１３）。実燃料噴射量ｑが必要燃料噴射量Ｑ未満であればステップＳ１に戻り、実燃料噴射量ｑが必要燃料噴射量Ｑ以上であれば、負荷上昇運転を終了して定常運転に戻る。

（３）負荷上昇準備処理
旋回式スラスタでは、推進翼８３（旋回筒８２）の旋回により、推進翼８３の水を掻く向きを変化させることができる。しかし、このような推進翼８３の旋回は、船速、海流、波向などとの関係によっては、ガスエンジン２の負荷を大幅に上昇させることがある。

図１０は、推進翼８３の実旋回角及びガスエンジン２の負荷の経時的変化を表すグラフである。図１０の上下のグラフの時間軸は対応している。図１０の下のグラフでは、時間Ｔ１に制御装置７へ舵角操作情報が入力され、その舵角操作量の変化に基づいて、旋回角がθ１からθ２へ変化する際の実旋回角の経時的変化が示されている。図１０の上のグラフでは、上記の通り実旋回角が変化する際のガスエンジン２の負荷の変化が表されている。舵角操作量が変化した時刻Ｔ１では定常運転が行われており、実旋回角がθ１からθ２へ変化する途中で、ガスエンジン２の負荷が上昇し始める。つまり、舵角操作量が変化した時刻Ｔ１から、これに対応して実際にガスエンジン２の負荷が上昇し始めるまでにはタイムラグがある。また、舵角操作量が変化した時刻Ｔ１から、これに対応して実際にガスエンジン２の負荷が上昇し、負荷上昇運転が始まるまでには更に大きなタイムラグがある。

舵角操作量が変化した時刻Ｔ１の時点で、制御装置７は旋回角の変化によるガスエンジン２の将来の負荷の変動を予測することができる。つまり、制御装置７は、推進翼８３の旋回角の変化によってガスエンジン２の負荷が変動する前に、ガスエンジン２の負荷の変動を予測することができる。そこで、本実施形態に係るガスエンジンシステム１では、舵角操作量の変化に基づいて推進翼８３の旋回角の変化による負荷の変化を予測して、前述のタイムラグを利用して、実際に負荷が上昇する前に給気路４１の空気量（即ち、燃焼室２０に供給できる空気量）を迅速に増やせるように準備しておき、実際に負荷が上昇したときに迅速に過給量及び燃料ガスを増やすことができるようにしている。以下、図１１のフローチャートを参照しながら、制御装置７による負荷上昇準備処理について説明する。

制御装置７は、定常運転中、舵角操作情報に含まれる舵角操作量の変化を監視している。舵角操作量は、前述の舵角操作具７３の操作によって入力されるほか、自動操縦時には図示されない自動操縦装置から入力されてもよい。図１１に示すように、制御装置７は、定常運転中に舵角操作量が変化すると（ステップＳ３１でＹＥＳ）、負荷上昇準備処理を開始する（ステップＳ３２）。

負荷上昇準備処理を開始した制御装置７は、先ず、予測必要燃料噴射量Ｑpを算出する（ステップＳ３３）。予測必要燃料噴射量Ｑpは、負荷の上昇度合いの指標の一例である。具体的に、制御装置７は、例えば、操船操作具７４の操作量に基づく目標回転数ＮＴ、現在のガスエンジン２の回転数である実回転数Ｎ、舵角操作具７３の操作量に基づく目標旋回角、現在の推進翼８３の旋回角である実旋回角、及び、現在の船速である実船速などの情報を取得し、これらの情報から記憶部に予め記憶された船体性能モデルを利用して、ガスエンジン２の予測要求出力を求め、予測要求出力と実出力との差を求め、予測要求出力と実出力との差から予測必要燃料噴射量Ｑpを算出する。

予測必要燃料噴射量Ｑpは、推進翼８３が舵角操作情報に対応して旋回動作を開始してから旋回動作を終了するまでの、必要燃料噴射量Ｑの経時的変化であってよい。或いは、予測必要燃料噴射量Ｑpは、推進翼８３が舵角操作情報に対応して旋回動作を開始してから旋回動作を終了後所定時間が経過するまでの、必要燃料噴射量Ｑの経時的変化であってよい。

次に、制御装置７は、予測必要燃料噴射量Ｑpの上昇速度Ｖp（Ｖp＝ｄＱp／ｄｔ）を算出する（ステップＳ３４）。

ついで、制御装置７は、算出した上昇速度Ｖpを所定の閾値αと比較する（ステップＳ３５）。閾値αは、前述の負荷上昇運転で使用される閾値αと同じ値であってよい。或いは、閾値αは、負荷上昇運転で使用される閾値αよりも小さい又は大きい値であってもよい。

予測必要燃料噴射量Ｑpの上昇速度Ｖpが閾値α以下である場合は（ステップＳ３５でＮＯ）、負荷上昇準備処理を終了する。一方、予測必要燃料噴射量Ｑpの上昇速度Ｖpが閾値αよりも大きい場合は（ステップＳ３５でＹＥＳ）、ステップＳ３６に進んでから、負荷上昇準備処理を終了する。なお、本実施形態では、上昇速度Ｖpが閾値αと等しい場合は負荷上昇準備処理を終了するようになっているが、上昇速度Ｖpが閾値αと等しい場合はステップＳ３６に進んでもよい。

ステップＳ３６では、制御装置７は、過給圧の増加を抑えながら過給機３の回転数を増加させる過給機回転数増加操作を行う。このように実際に負荷が上昇する前に過給機回転数を増加させておくことによって、給気路４１の空気量（即ち、燃焼室２０に供給できる空気量）を増やしておくことができる。そのため、実際に負荷が上昇して定常運転から負荷上昇運転に移行した際に、空気過剰率λが適切な範囲となるように過給圧を迅速に高めて、実燃料噴射量ｑをより迅速に増加させることが可能となる。換言すれば、ガスエンジン２の負荷応答性（要求出力に対する実出力の追従性）を向上させることができる。

上記の過給機回転数増加操作は、次の（ａ）〜（ｅ）のうちいずれか一つ又は２つ以上の組み合わせであってよい。

（ａ）空気過剰率λを増加させる。
具体的には、制御装置７は、燃焼室２０へ送る燃料ガスと空気の混合気の空気過剰率λを第１下限λ１を超えない範囲で増加させるように給気ブローオフ弁４８を動作させる。これにより、シリンダ２１内の空気が更に濃い状態で燃料が燃焼することにより燃焼温度が上昇し、ガスエンジン２からの排気温度が上昇する、つまり、排気エネルギーが増加するので、過給機３のタービン３２の回転数を増加させることができる。

（ｂ）点火タイミングをリタードさせる。
具体的には、制御装置７は、点火又は着火タイミングをリタードさせるように点火装置５５を動作させる。これにより、ガスエンジン２からの排気温度が上昇する、つまり、排気エネルギーが増加するので、過給機３のタービン３２の回転数を増加させることができる。ガスエンジン２の点火方式としては、点火プラグで生じた火花で混合気に点火する火花点火方方式と、燃焼室２０へ噴射されて自己発火したパイロット燃料油で混合気に点火する（着火させる）パイロット油着火方式とがある。火花点火方式の点火装置５５は、点火プラグを含み、点火プラグの火花の発生タイミングをリタードさせるように点火装置５５が動作することによって、点火タイミングをリタードさせることができる。また、パイロット油着火方式の点火装置５５は、パイロット燃料噴射弁を含み、パイロット燃料噴射弁からのパイロット燃料噴射タイミングをリタードさせるように点火装置５５が動作することによって、点火タイミングをリタードさせることができる。

（ｃ）過給機３の圧縮機３１の回転をジェットアシストする。
この場合、圧縮機３１の入口側へ、高圧空気源３５から供給される高圧空気を供給するノズル３６と、高圧空気源３５とノズル３６との間に設けられたジェットアシスト弁３７とが設けられている（図３、参照）。そして、制御装置７は、圧縮機３１の回転がノズル３６から噴出する高圧空気によってジェットアシストされるように、ジェットアシスト弁３７を切り替える。これにより、吹き付けられた高圧空気の流れで、圧縮機３１の回転がアシストされ、その結果、過給機３の圧縮機３１の回転数を増加させることができる。

（ｄ）排気路４２から系外へ排出されるガスを減らす。
具体的には、制御装置７は、排気ウエストゲート弁４９の開度が小さくなる又は閉止されるように、排気ウエストゲート弁４９を動作させる。排気ウエストゲート弁４９の開度が小さくなれば、排気路４２から排出される排ガス量が減少するので、過給機３のタービン３２の回転数を増加させることができる。

（ｅ）過給機３が、可変ジオメトリターボである場合には、タービン３２のノズルの開口面積を絞る。
過給機３が、タービンインペラに排ガスを吹き付けるノズルの開度が変更可能な可変ジオメトリターボである場合には、制御装置７は、タービン３２のノズルの開口面積が小さくなるようにタービン３２を動作させる。このように、タービン３２のノズルの開口面積を絞ることにより、排気の流速が上昇し、過給効率を高めることができる。

制御装置７は、過給機回転数増加操作において、上記のように過給機３の回転数を増加させる操作とともに、過給機回転数の増加に伴う過給圧の上昇を抑える操作を行う。具体的には、制御装置７は、過給機回転数の増加に伴う過給圧の増加を抑えるように、給気ブローオフ弁４８の開度を増加させる。給気ブローオフ弁４８の開度が増加すると、給気路４１から排出される空気量が増加するので、過給機回転数が増加しても過給圧の増加を抑えることができる。ここで、制御装置７は、例えば、第１圧力センサ６１で検出された圧力の変動が所定幅に抑えられるように、給気ブローオフ弁４８の開度を調整する。

なお、負荷上昇準備処理から負荷上昇運転に移行すると、制御装置７は、必要燃料噴射量Ｑと対応する空気過剰率λを満足する実過給圧Ｐとなるように、実過給圧Ｐ及び過給温に基づいて、給気ブローオフ弁４８の開度を減少又は閉止させる。負荷上昇準備処理によって過給機３の過給機回転数は既に増加しているため、給気ブローオフ弁４８の開度を減少又は閉止させることによって、負荷上昇運転を開始してから過給圧を上昇させる場合と比較して、過給圧を迅速に上昇させることができる。

以上説明した通り、本実施形態に係るガスエンジンの制御方法は、圧縮機３１及びタービン３２を含む過給機３と接続されたガスエンジン２の制御方法であって、実際にガスエンジン２の負荷が上昇する前に負荷の上昇を予測し、予測される負荷の上昇度合いが所定の閾値αを超えると、過給圧の増加を抑えながら過給機回転数を増加させ、ガスエンジン２の負荷の上昇が検出されると負荷上昇運転に移行して、過給圧及び燃料噴射量を増加させる。なお、負荷の上昇の予測と、過給圧の増加と、ガスエンジン２の負荷の上昇の検出とは、定常運転中に行われる。

同様に、本実施形態に係るガスエンジンシステム１は、圧縮機３１及びタービン３２を含む過給機３と、圧縮機３１と給気路４１を介して接続され、タービン３２と排気路４２を介して接続されたガスエンジン２と、前記給気路を通じてガスエンジン２に供給される空気中に燃料ガスを噴射する燃料噴射機構（主燃料噴射弁５１）と、過給機３、ガスエンジン２、及び、燃料噴射機構を制御する制御装置７と、を備えている。そして、制御装置７が、実際にガスエンジン２の負荷が上昇する前に負荷の上昇を予測し、予測される負荷の上昇度合いが所定の閾値αを超えると、過給圧の増加を抑えながら過給機回転数を増加させる処理を行い、ガスエンジンの負荷の上昇が検出されると（定常運転から負荷上昇運転に移行して）、過給圧及び燃料噴射量を増加させる処理を行う。

上記ガスエンジンの制御方法及びガスエンジンシステム１によれば、実際にガスエンジン２の負荷が上昇する前に負荷の上昇を予測し、負荷の上昇に先だって過給機回転数を増加させて過給圧を増加させるための準備をすることができる。従って、実際にガスエンジン２の負荷が上昇した際に、適切な空気過剰率の範囲内となるように、速やかに過給圧及び燃料噴射量を増やすことができる。これにより、ガスエンジン２の負荷応答性を向上させることができる。

なお、本実施形態に係るガスエンジンシステム１では、給気路４１に当該給気路４１から気体を逃がす給気ブローオフ弁４８が設けられており、制御装置７は、過給機回転数を増加させる処理では、過給機回転数の増加に伴う過給圧の増加を抑えるように給気ブローオフ弁４８の開度を増加させ、過給圧を増加させる処理では、給気ブローオフ弁４８の開度を減少又は閉止させるように、給気ブローオフ弁４８を制御する。

これにより、過給圧の増加を抑えながら過給機回転数を増加させることができ、また、過給圧の増加を抑えながら過給機回転数を増加させた状態（即ち、負荷上昇準備処理を終えた状態）で速やかに過給圧を高めることができる。

また、上記実施形態に係るガスエンジンの制御方法及びガスエンジンシステム１では、ガスエンジン２が船舶１１の主機関であり、予測されるガスエンジン２の負荷の上昇が、船舶１１の舵角操作量の変化に応じて舵角が変化する際のガスエンジン２の負荷の上昇である。

より詳細には、上記実施形態に係るガスエンジンの制御方法及びガスエンジンシステム１では、ガスエンジン２が旋回式スラスタ（舶用推進装置８）を備える船舶１１の主機関であり、予測されるガスエンジン２の負荷の上昇が、船舶１１の舵角操作量の変化に応じて旋回式スラスタが旋回を開始してからのガスエンジン２の負荷の上昇である。

一般に、船舶１１では、舵角操作量が変化してから、実際に負荷が変化するまでにタイムラグがあるが、負荷は短期に変化しやすい。このような状況において負荷が急上昇しても、予め過給機回転数が高められていることによって、エンジン回転数の低下などにより負荷の上昇が検知されてから直ぐに過給圧及び燃料噴射量を増加させることができるので、負荷の急上昇に応答して直ちに十分なエンジン出力を得ることができる。なお、本実施形態では、舶用推進装置８として旋回式スラスタを採用しているが、船舶１１の進行方向を定めるための機構が、油圧又は電動アクチュエータによって駆動される舵板であってもよい。この場合でも、舵角操作量が変化してから、油圧又は電動アクチュエータが動作して舵角が変化し、実際に負荷が上昇するまでにタイムラグが生じることがあり、このタイムラグを利用して過給機回転数を予め高めておくことができる。

また、上記実施形態に係るガスエンジンの制御方法及びガスエンジンシステム１では、燃焼室２０へ送る燃料ガスと空気の混合気の空気過剰率を増加させること、点火装置５５が火花点火方式の場合には点火プラグの点火タイミングをリタードさせること、点火装置５５がパイロット油着火方式の場合にはパイロット燃料噴射タイミングをリタードさせること、圧縮機３１の回転をジェットアシストすること、過給機３が可変ジオメトリターボの場合にはタービン３２のノズルの開口面積を小さくすること、及び、燃焼室２０の排気路４２から系外へ排出されるガスを減少させることの少なくとも１つによって、過給機回転数を増加させる。

例えば、制御装置７は、過給機回転数を増加させるために、燃焼室２０へ送る燃料ガスと空気の混合気の空気過剰率を増加させるように、給気ブローオフ弁４８の開度を小さくする処理を行う。また、例えば、制御装置７は、過給機回転数を増加させるために、点火タイミングをリタードさせるように、又は、パイロット燃料噴射タイミングをリタードさせるように点火装置５５を動作させる処理を行う。また、例えば、制御装置７は、過給機回転数を増加させるために、圧縮機３１の回転がノズル３６から噴出する高圧空気によってジェットアシストされるように、ジェットアシスト弁３７を切り替える処理を行う。また、例えば、制御装置７は、過給機回転数を増加させるために、タービン３２の開口面積を小さくする処理を行う。また、例えば、制御装置７は、過給機回転数を増加させるために、排気ウエストゲート弁４９の開度を減少させる処理を行う。

上記の過給機回転数を増加させる処理のいずれによっても、ガスエンジン２の定常運転に与える影響を抑えつつ、過給機回転数を高めることができる。

以上に本発明の好適な実施の形態を説明したが、本発明の精神を逸脱しない範囲で、上記実施形態の具体的な構造及び／又は機能の詳細を変更したものも本発明に含まれ得る。

例えば、上記実施形態の負荷上昇運転において、負荷の上昇度合いが相対的に大きいとき（必要燃料噴射量Ｑの上昇速度Ｖが閾値αよりも大きいとき）は、点火タイミングをリタードさせ且つ燃料噴射量を徐々に増加させるが、前述の負荷上昇準備処理によって負荷の上昇が検出されたタイミングで既に十分な量の空気が用意される場合には、燃料噴射量の増加だけが行われてもよい。

また、例えば、上記実施形態において、ガスエンジン２の負荷の上昇度合いの指標として必要燃料噴射量Ｑ（予測必要燃料噴射量Ｑp）を利用するが、ガスエンジン２の負荷の指標として、ガスエンジン２の要求出力（予測要求トルク）と実出力との差、目標回転数と実回転数の差、及び、目標過給圧と実過給圧の差のうち少なくとも１つが用いられてよい。

負荷が上昇した場合には、ガスエンジン２の実回転数が目標回転数から低下する。しかも、実回転数がどれだけ低下するかは負荷の度合いに依存する。従って、目標回転数と実回転数との差を、負荷の上昇度合いの指標とすることができる。

また、負荷が上昇した場合には、負荷に応じて目標過給圧が増加し、その目標過給圧の増加に対し実過給圧の増加が遅れるため（いわゆる、ターボラグ）、実過給圧と目標過給圧との差が増大する。しかも、その差の増大の大きさは負荷の度合いに依存する。従って、目標過給圧と実過給圧との差を、負荷の上昇度合いの指標とすることができる。

本発明のガスエンジンシステムは、必ずしも船舶に用いられる必要はなく、例えば、発電設備、建設機械、鉄道などに用いられてもよい。

１ ：ガスエンジンシステム
２ ：ガスエンジン
３ ：過給機
７ ：制御装置
７１ ：推進装置制御部
７２ ：エンジン制御部
８ ：舶用推進装置
１１ ：船舶
２０ ：燃焼室
２１ ：シリンダ
２２ ：ピストン
２３ ：給気弁
２４ ：排気弁
２５ ：隔壁
３１ ：圧縮機
３２ ：タービン
３５ ：高圧空気源
３６ ：ノズル
３７ ：ジェットアシスト弁
４１ ：給気路
４２ ：排気路
４３ ：放熱器
４８ ：給気ブローオフ弁
４９ ：排気ウエストゲート弁
５１ ：主燃料噴射弁
５２ ：副燃料噴射弁
５５ ：点火装置
６１ ：第１圧力センサ
６２ ：第２圧力センサ
６３ ：位相角検出器
６５ ：温度センサ
６６ ：旋回角センサ
６７ ：船速計
７３，７４ ：操作具
８０ ：プラットホーム
８１ ：上部ギヤボックス
８２ ：旋回筒
８３ ：推進翼
８４ ：旋回駆動装置
８５ ：クラッチ
８６ ：入力軸
８７ ：水平軸
８８，８９ ：上部ベベルギヤ機構
９０ ：垂直軸
９１，９２ ：下部ベベルギヤ機構
９３ ：推進軸
９４ ：ダクト
９５ ：旋回ギヤ
９６ ：旋回モータ
９７ ：駆動ギヤ

Claims (13)

1. 圧縮機及びタービンを含む過給機と接続されたガスエンジンの制御方法であって、
   実際に前記ガスエンジンの負荷が上昇する前に負荷の上昇を予測し、予測される負荷の上昇度合いが所定の閾値を超えると、過給圧の増加を抑えながら過給機回転数を増加させ、
   前記ガスエンジンの負荷の上昇が検出されると、前記過給圧及び燃料噴射量を増加させる、
   ガスエンジンの制御方法。
2. 前記過給機回転数を増加させることが、前記ガスエンジンの燃焼室へ送る燃料ガスと空気の混合気の空気過剰率を増加させること、点火タイミングをリタードさせること、パイロット燃料噴射タイミングをリタードさせること、前記圧縮機の回転をジェットアシストすること、前記タービンのノズルの開口面積を小さくすること、及び、前記燃焼室の排気路から系外へ排出されるガスを減少させることの少なくとも１つを含む、
   請求項１に記載のガスエンジンの制御方法。
3. 前記ガスエンジンが船舶の主機関であり、
   予測される前記ガスエンジンの負荷の上昇が、前記船舶の舵角操作量の変化に応じて舵角が変化する際の前記ガスエンジンの負荷の上昇である、
   請求項１又は２に記載のガスエンジンの制御方法。
4. 前記ガスエンジンが旋回式スラスタを備える船舶の主機関であり、
   予測される前記ガスエンジンの負荷の上昇が、前記船舶の舵角操作量の変化に応じて前記旋回式スラスタが旋回を開始してからの前記ガスエンジンの負荷の上昇である、
   請求項１又は２に記載のガスエンジンの制御方法。
5. 圧縮機及びタービンを含む過給機と、
   前記圧縮機と給気路を介して接続され、前記タービンと排気路を介して接続されたガスエンジンと、
   前記給気路を通じて前記ガスエンジンに供給される空気中に燃料ガスを噴射する燃料噴射機構と、
   前記過給機、ガスエンジン、及び、前記燃料噴射機構を制御する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、実際に前記ガスエンジンの負荷が上昇する前に負荷の上昇を予測し、予測される負荷の上昇度合いが所定の閾値を超えると、過給圧の増加を抑えながら過給機回転数を増加させる処理を行い、前記ガスエンジンの負荷の上昇が検出されると、前記過給圧及び燃料噴射量を増加させる処理を行う、
   ガスエンジンシステム。
6. 前記ガスエンジンが船舶に主機関として搭載されており、
   予測される前記ガスエンジンの負荷の上昇が、前記船舶の舵角操作量の変化に応じて舵角が変化する際の前記ガスエンジンの負荷の上昇である、
   請求項５に記載のガスエンジンシステム。
7. 前記ガスエンジンが旋回式スラスタを備える船舶の主機関であり、
   予測される前記ガスエンジンの負荷の上昇が、前記船舶の舵角操作量の変化に応じて前記旋回式スラスタが旋回を開始してからの前記ガスエンジンの負荷の上昇である、
   請求項５に記載のガスエンジンシステム。
8. 前記給気路に当該給気路から気体を逃がす給気ブローオフ弁が設けられており、
   前記制御装置は、前記過給機回転数を増加させる処理では、前記過給機回転数の増加に伴う前記過給圧の増加を抑えるように前記給気ブローオフ弁の開度を増加させ、前記過給圧を増加させる処理では、前記給気ブローオフ弁の開度を減少又は閉止させるように、前記給気ブローオフ弁を制御する、
   請求項５〜７のいずれか一項に記載のガスエンジンシステム。
9. 前記給気路に当該給気路から気体を逃がす給気ブローオフ弁が設けられており、
   前記過給機回転数を増加させる処理が、前記ガスエンジンの燃焼室へ送る前記燃料ガスと前記空気の混合気の空気過剰率を増加させるように、前記給気ブローオフ弁を動作させる処理である、
   請求項５〜８のいずれか一項に記載のガスエンジンシステム。
10. 前記ガスエンジンは、前記燃料ガスと前記空気の混合気に点火する点火装置を有し、
    前記過給機回転数を増加させる処理が、点火タイミングをリタードさせるように、又は、パイロット燃料噴射タイミングをリタードさせるように、前記点火装置を動作させる処理である、
    請求項５〜８のいずれか一項に記載のガスエンジンシステム。
11. 前記圧縮機に、高圧空気源から供給される高圧空気を供給するノズルと、前記高圧空気源と前記ノズルとの間に設けられたジェットアシスト弁とが設けられており、
    前記過給機回転数を増加させる処理が、前記圧縮機の回転が前記ノズルから噴出する高圧空気によってジェットアシストされるように、前記ジェットアシスト弁を切り替える処理である、
    請求項５〜８のいずれか一項に記載のガスエンジンシステム。
12. 前記過給機は、タービンインペラに排ガスを吹き付けるノズルの開度が可変であり、
    前記過給機回転数を増加させる処理が、前記ノズルの開口面積を小さくする処理である、
    請求項５〜８のいずれか一項に記載のガスエンジンシステム。
13. 前記排気路に当該排気路から気体を逃がす排気ウエストゲート弁が設けられており、
    前記過給機回転数を増加させる処理が、前記排気ウエストゲート弁の開度を減少させる処理である、
    請求項５〜８のいずれか一項に記載のガスエンジンシステム。

Images