JP2020125719A - ガスエンジンシステム及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】一定の回転数で発電機を駆動するガスエンジンと、燃焼室と給気路を介して接続された圧縮機及び燃焼室と排気路を介して接続されたタービンを有し燃焼室へ給気する過給機とを備えるガスエンジンシステムにおいて、エンジン負荷上昇速度を向上させる。【解決手段】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、過給機３の圧縮機３１へ高圧空気を吹き付けて圧縮機３１の回転を助勢するジェットアシスト装置３０を備える。ガスエンジンシステム１の制御方法は、発電機８の発電電力量の検出と、電力量に基づいて算出されるエンジン負荷と燃焼室への給気圧とを関連付ける所与の情報を利用して、エンジン負荷（又は、エンジン負荷に基づいて設定された目標エンジン負荷）に対応する給気圧である目標給気圧の算出と、燃焼室への実給気圧の検出と、及び、実給気圧が目標給気圧に満たないときにジェットアシスト装置３０を作動させること、を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、ガスエンジンと、ガスエンジンの排気エネルギで駆動される過給機とを備えるガスエンジンシステムの制御方法に関する。

一般に、ガスエンジンとその排気エネルギで駆動される過給機とを備えるガスエンジンシステムでは、ガスエンジンからの排気エネルギで過給機が駆動され、その過給機によって圧縮された空気がガスエンジンへ給気される。ガスエンジンでは、空気及びガス燃料の混合気を燃焼室へ吸入して燃焼させ、動力を発生させる。

従来、発電機を駆動するガスエンジンでは、回転数が一定となり、且つ、所望の発電出力（即ち、エンジン負荷）が得られるように燃料供給量が調整され、燃料供給量に対する給気圧の調整によって混合気の空燃比が制御される。混合気の空燃比は、ノッキングや失火を回避した範囲内で燃焼特性が最適、即ち、熱効率が高く、ＮＯｘ排出量が最小となるように制御される。

上記のようなガスエンジンシステムでは、過給機の駆動力がガスエンジンの排気エネルギに依存することから、ガスエンジンの起動時の過給機の過給能力は低い。ガスエンジン起動時は、十分な過給が得られないためにエンジン負荷を徐々に上昇させることしかできず、エンジン負荷が所望の負荷（例えば、定格負荷）に到達するまでに時間を要するという問題があった。

そこで、特許文献１では、ガスエンジンの起動時や出力変動時における過給機の応答遅れを解消するために、起動時若しくはエンジン負荷変動時に、所定の出力変化率に応じて燃料供給量を制御するとともに、現時点ｔから時間αだけ先行した時間ｔ＋αにおける燃料供給量に対して所要の空燃比となる目標空気量を算出し、算出した目標空気量と、実給気量との偏差に基づいて給気量を制御することが提案されている。

特開２００９−１８５７１８公報

特許文献１では、ガスエンジンの起動時や負荷変動時における過給機の応答遅れを緩和することができる。それであっても、所望の給気圧が得られるまでにガスエンジンの排気エネルギが上昇するまでには時間を要し、負荷上昇速度を向上させるために改良の余地が残されている。

本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、出力回転数が一定であるガスエンジンと、ガスエンジンの排気エネルギで駆動される過給機とを備えるガスエンジンシステムにおいて、エンジン負荷上昇速度を向上する技術を提案する。

本発明の一態様に係るガスエンジンシステムは、
空気及びガス燃料の混合気を吸入して燃焼させる燃焼室を有し、一定の回転数で発電機を駆動するガスエンジンと、
前記燃焼室と給気路を介して接続された圧縮機及び前記燃焼室と排気路を介して接続されたタービンを有し前記燃焼室へ給気する過給機と、
前記圧縮機へ高圧空気を吹き付けて当該圧縮機の回転を助勢するジェットアシスト装置と、
前記燃焼室への前記ガス燃料の供給量を調整する燃料供給装置と、
前記燃焼室への実給気圧を検出する給気圧検出器と、
前記発電機の電力量を検出する電力計と、
前記実給気圧及び前記電力量を取得して、前記電力量を所定の目標電力量に調節するように、前記電力量に基づいて算出されるエンジン負荷に応じて前記実給気圧を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、前記エンジン負荷又は当該エンジン負荷に基づいて設定された目標エンジン負荷又は目標エンジン負荷に対応する給気圧を目標給気圧として、前記実給気圧が前記目標給気圧に満たないときに前記ジェットアシスト装置を作動させるものである。

また、本発明の別の一態様に係るガスエンジンシステムの制御方法は、
空気及びガス燃料の混合気を燃焼室へ吸入して燃焼させることにより一定の回転数で発電機を駆動するガスエンジンと、前記燃焼室と給気路を介して接続された圧縮機及び前記燃焼室と排気路を介して接続されたタービンを有し前記燃焼室へ給気する過給機と、前記圧縮機へ高圧空気を吹き付けて当該圧縮機の回転を助勢するジェットアシスト装置とを備えるガスエンジンシステムの制御方法であって、
前記発電機の発電量の検出値から前記ガスエンジンのエンジン負荷を求めること、
前記エンジン負荷と前記燃焼室への給気圧とを関連付ける所与の情報を利用して、前記エンジン負荷又は当該エンジン負荷に基づいて設定された目標エンジン負荷に対応する前記給気圧である目標給気圧を求めること、
前記燃焼室への実給気圧を検出すること、及び、
前記実給気圧が前記目標給気圧に満たないときに前記ジェットアシスト装置を作動させること、を含むものである。

上記ガスエンジンシステム及びその制御方法によれば、給気圧が不足する場合に、ジェットアシスト装置によって過給機の回転が助勢され、その結果、給気圧を急速に上昇させることができる。このように十分な給気圧に対応して、燃料供給量を速やかに増加させることができるので、エンジン負荷を迅速に上昇させることが可能となる。

上記ガスエンジンシステムにおいて、前記制御装置は、負荷上昇運転中に前記ジェットアシスト装置を作動させてよい。同様に、上記ガスエンジンシステムの制御方法において、負荷上昇運転中に前記ジェットアシスト装置を作動させてよい。

エンジン負荷を強制的に上昇させる負荷上昇運転中では、目標給気圧と実給気圧との偏差が大きくなる。そこで、負荷運転上昇中に積極的にジェットアシスト装置で過給機を助勢することで、速やかにエンジン負荷を上昇させることができる。

また、上記ガスエンジンシステムにおいて、前記制御装置は、前記負荷が定格負荷の２０％以上６５％以下の範囲にあるときに、前記ジェットアシスト装置を作動させてよい。同様に、上記ガスエンジンシステムの制御方法において、前記負荷が定格負荷の２０％以上６５％以下の範囲にあるときに、前記ジェットアシスト装置を作動させてよい。

発明者らは、ガスエンジンの起動時などのエンジン負荷が急上昇する間、エンジン負荷が定格負荷の２０％以上の範囲で目標給気圧と実給気圧との偏差が顕著となるという知見を得ている。また、エンジン負荷が急上昇する間、エンジン負荷が定格負荷の６５％を超える範囲では、目標給気圧と実給気圧との偏差は十分に小さく、過給機を助勢する必要性が低下する。そこで、エンジン負荷が上記範囲にあるときにジェットアシスト装置を作動させることで、効率的に過給機を助勢することができる。

また、上記ガスエンジンシステムにおいて、前記制御装置は、前記目標給気圧と前記実給気圧との偏差を監視し、前記偏差が所定の第１閾値を超えれば前記ジェットアシスト装置を作動させ、所定時間の経過後、又は、前記偏差が所定の第２閾値以下となれば前記ジェットアシスト装置を停止させてよい。同様に、上記ガスエンジンシステムの制御方法において、前記目標給気圧と前記実給気圧との偏差を監視し、前記偏差が所定の第１閾値を超えれば前記ジェットアシスト装置を作動させ、所定時間の経過後、又は、前記偏差が所定の第２閾値以下となれば前記ジェットアシスト装置を停止させてよい。

ジェットアシスト装置が作動すると給気圧が一気に高まることから、目標給気圧と実給気圧との偏差がさほど大きくない状況でジェットアシスト装置を作動させると、給気圧が目標給気圧を超えて、余剰となるおそれがある。そこで、ガスエンジンシステムごとに適切な第１閾値を設定することにより、不要なジェットアシスト装置の作動を抑制し、効率的に助勢を行うことができる。

上記において、前記第１閾値は、前記負荷の増加に伴って増加する前記負荷の関数であってよい。

エンジン負荷が急上昇する間、エンジン負荷が低いときには給気圧は上昇しにくいが、エンジン負荷がある程度まで大きくなると給気圧は速やかに上昇する。そこで、第１閾値を上記のような関数とすることで、エンジン負荷が低いときは比較的小さな偏差でもジェットアシスト装置が作動し、エンジン負荷が定格負荷に近づくほどジェットアシスト装置が作動する偏差が大きくなる。このようにして、助勢の必要度に応じてジェットアシスト装置を作動させることができる。

また、上記ガスエンジンシステムにおいて、前記制御装置は、定常運転中に前記目標給気圧と前記実給気圧との偏差を監視し、前記偏差が所定の第３閾値を超えれば前記ジェットアシスト装置を作動させ、所定時間の経過後、又は、前記偏差が前記第４閾値以下となれば前記ジェットアシスト装置を停止させてよい。同様に、上記ガスエンジンシステムの制御方法において、定常運転中に前記目標給気圧と前記実給気圧との偏差を監視し、前記偏差が所定の第３閾値を超えれば前記ジェットアシスト装置を作動させ、所定時間の経過後、又は、前記偏差が前記第４閾値以下となれば前記ジェットアシスト装置を停止させてよい。

大気温度の低下や過給機の経年劣化等により、定常運転中に給気圧が低下することがある。このような場合に、ジェットアシスト装置を一時的に作動させて給気圧を高めることで、給気圧を迅速に回復させて、安定した運転を維持することができる。

本発明によれば、回転数が一定であるガスエンジンと、ガスエンジンの排気エネルギで駆動される過給機とを備えるガスエンジンシステムにおいて、エンジン負荷上昇速度を向上する技術を提案することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係るガスエンジンシステムの概略構成図である。 図２は、ガスエンジンの要部の断面図である。 図３は、ガスエンジンシステムの制御系統の構成を示す図である。 図４は、発電機出力（エンジン負荷）と給気圧の関係を示すグラフである。 図５は、負荷上昇時の計画出力と計画給気圧とを示すグラフである。 図６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。 図７は、第１閾値とエンジン負荷との関係を示すグラフである。

次に、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

〔ガスエンジンシステム１の構成〕
図１は、本発明の一実施形態に係るガスエンジンシステム１の概略構成図である。図１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２、参照）を備える。本実施形態では、発電機８がガスエンジン２により直接的に駆動される。

ガスエンジン２は、ガス燃料（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、状況によってガス燃料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２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２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２往復することにより、ガスエンジン２の１サイクル（吸気、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（本発明の回転数検出器）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の位置などが用いられてよく、位相角検出器６３は、例えば、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ってよい。また、位相角検出器６３からは、ガスエンジン２の実回転数も検出される。

図１に戻って、過給機３は、圧縮機３１とタービン３２とを含み、これらが軸で接続されてなる。過給機３には、ジェットアシスト装置３０が付帯している。ジェットアシスト装置３０は、高圧空気源３５と、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とを備える。ジェットアシスト装置３０の作動時には、ジェットアシスト弁３７が開放されて、ノズル３６から高圧空気が噴出し、この高圧空気によって圧縮機３１の回転がアシストされる。また、ジェットアシスト装置３０の停止時には、ジェットアシスト弁３７は閉止され、高圧空気の圧縮機３１への流入が阻止される。

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。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。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バイパス弁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１では図面の簡略化のために給気路４１及び排気路４２が１本の流路で描かれている。

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の吐出圧である実給気圧Ｐを検出する給気圧検出器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給気温度検出器６５とが設けられている。給気圧検出器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、給気温度検出器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ガス燃料を噴射する主燃料噴射弁５１（本発明の燃料供給装置に相当）が設けられている。但し、本発明の燃料供給装置は、ガスエンジン２に供給される空気中にガス燃料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、燃料噴射装置が、圧縮機３１の吸入口に接続された空気供給路に合流するガス燃料供給路と、このガス燃料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ガス燃料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吸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とが設けられている。また、各シリンダ２１には、燃焼室２０内でガス燃料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と連通する主燃焼室２０Ａと、連通孔が設けられた隔壁２５により主燃焼室２０Ａと隔てられた副燃焼室２０Ｂとからなる。点火装置５５は副燃焼室２０Ｂに配置されており、副燃焼室２０Ｂ内には副燃料噴射弁５２からガス燃料が噴射される。主燃焼室２０Ａには、当該主燃焼室２０Ａ内の圧力である筒内圧を検出する筒内圧検出器６２が設けられている。

上記構成のガスエンジン２では、過給機３からの給気と主燃料噴射弁５１が噴射したガス燃料とを含む混合気が吸気ポートより主燃焼室２０Ａへ供給され、当該混合気に更に副燃料噴射弁５２が噴射したガス燃料を含んだ混合気が供給される（吸気工程）。主燃焼室２０Ａのリーンな混合気及び副燃焼室２０Ｂ内のリッチな混合気が圧縮された（圧縮工程）後に、点火装置５５が適宜タイミングで作動して副燃焼室２０Ｂ内の混合気が着火される。副燃焼室２０Ｂ内で発生した火炎は隔壁２５の連通孔を通じて主燃焼室２０Ａ内に伝播し、この火炎により主燃焼室２０Ａ内の圧縮混合気が燃焼する。これによりピストン２２が下動し（膨張行程）、その後に主燃焼室２０Ａ内のガスが排気ポートを通じて排気路４２へと排出される（排気工程）。燃焼後の排ガスは、排気路４２を通じてタービン３２に導入されて、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３は、ガスエンジンシステム１の制御系統の構成を示す図である。制御装置７は、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７１と、エンジン負荷に応じた目標給気圧Ｐｂを設定する給気圧設定部７２との機能部を有する。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７ａ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等の記憶部７ｂを有している。記憶部７ｂには、演算処理部７ａ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７ａは、外部装置とのデータ送受信を行う。また、演算処理部７ａ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７ｂ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７ａが読み出して実行することにより、各機能部としての処理を行う。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。

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、給気圧検出器６１、筒内圧検出器６２、位相角検出器６３、給気温度検出器６５、負荷検出器としての電力計６６、ジェットアシスト弁３７、給気ブローオフ弁４８、及び、排気バイパス弁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。電力計６６は、発電機８で発電された電力量（発電機出力Ｗ）を検出する。電力量はガスエンジン２の負荷と相関しており、制御装置７は検出された電力量からエンジン負荷を求めることができる。

制御装置７のエンジン制御部７１は、実給気圧Ｐ、筒内圧、位相角（出力回転数）、給気温度、及び、電力量を取得して、発電機８の発電電力量を所定の目標電力量に調節するように、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。目標回転数は、発電機８で発電される電力の周波数に対応した回転数である。発電機８は、ガスエンジン２の発生出力に応じた電力を発電する。

また、制御装置７のエンジン制御部７１は、負荷に応じてガス燃料の供給量及び混合気の空燃比を制御する。制御装置７には、エンジン負荷と給気圧との関係を表す「エンジン負荷−給気圧情報」が記憶されている。図４に示す発電機出力Ｗ（エンジン負荷）と給気圧との関係を示すグラフは、エンジン負荷−給気圧情報の一例である。このグラフでは縦軸が給気圧を表し、横軸が発電機出力Ｗ（エンジン負荷）を表す。エンジン負荷−給気圧情報において、給気圧は、エンジン負荷の増加に伴って増加する。制御装置７の給気圧設定部７２は、記憶部７ｂからエンジン負荷−給気圧情報を読み出して、エンジン負荷の値と対応する給気圧の値を求め、これを目標給気圧Ｐｂとして設定する。但し、エンジン負荷に対する目標エンジン負荷が定められ、その目標エンジン負荷と対応する給気圧の値が目標給気圧Ｐｂとして設定されてもよい。

制御装置７は、起動時にエンジン負荷を定格出力まで上昇させる起動運転を行い、エンジン負荷が定格出力となれば定常運転に移行する。

起動運転において、制御装置７には、計画された負荷上昇率でエンジン負荷を所望の負荷（例えば、定格負荷）まで上昇させる。制御装置７には、起動運転時の計画出力が予め記憶されている。計画出力は、目標出力を時系列に並べたものである。図５は、起動運転時の計画出力Ｌ１と計画給気圧Ｌ２とを示すグラフである。このグラフの縦軸はエンジン負荷及び給気圧を表し、横軸は起動運転を開始してからの時間を表す。計画出力Ｌ１の傾きは、負荷上昇率を表す。負荷上昇率は過給機３の能力等に応じた値に設定される。

計画出力Ｌ１から、前述のエンジン負荷−給気圧情報を利用して求めた給気圧（目標給気圧Ｐｂ）を時系列に並べたものが計画給気圧Ｌ２である。計画給気圧Ｌ２は、予め制御装置７に記憶されていてもよい。

計画給気圧Ｌ２から、エンジン負荷に応じた最適な空燃比となるような計画燃料供給量が定まる。一般に、ガスエンジンにおいては、図６に示すように、空燃比と正味平均有効圧（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。上記の最適な空燃比は、最適なリーンバーンにおいて高出力が得られ、且つ、空気量不足によるノッキング或いは燃焼希薄による失火が発生しない範囲（図中に示された範囲Ｘ）とされてよい。なお、空気量は給気圧及び給気温度から求まるが、給気温度は略一定であることから、空気量は主に給気圧によって調整される。

制御装置７は、計画燃料供給量及び計画給気圧Ｌ２を利用して、エンジン負荷に応じて燃料供給量と、ガス燃料と空気の混合気の空燃比とを制御する。制御装置７は、主燃料噴射弁５１を制御し、取得したエンジン負荷に対応した計画燃料供給量が得られるように、燃料供給量を調整する。また、制御装置７は、エンジン負荷に対応した目標給気圧Ｐｂと、給気圧検出器６１で検出される実給気圧Ｐとの偏差ΔＰを監視し、この偏差ΔＰと所定の第１閾値α１とを比較する。図７に示すように、第１閾値α１は、エンジン負荷が大きくなるに連れて大きくなる、エンジン負荷の関数である。

制御装置７は、偏差ΔＰが第１閾値α１を超えると、過給機３の回転を助勢するようにジェットアシスト装置３０を作動させる。制御装置７は、ジェットアシスト装置３０を作動させてから所定時間経過後、又は、偏差ΔＰが第２閾値α２以下となれば、ジェットアシスト装置３０を停止させる。第２閾値α２は、０より大きく第１閾値α１以下の数であってよい。

このように、起動運転時にジェットアシスト装置３０が作動して過給機３の回転を助勢することにより、図５に鎖線で示すように、実給気圧Ｐを一気に上昇させることができる。その結果、実給気圧Ｐが計画給気圧Ｌ２に近づき、給気量不足によるノッキングや燃料希薄による失火等の不具合が生じない最適な空燃比を維持しながら、エンジン負荷を速やかに上昇させることができる。

定常運転時においては、制御装置７は、実回転数が目標回転数に維持され、且つ、エンジン負荷が所定負荷（定格負荷）を維持するように、燃料供給量を制御するとともに、給気圧を制御する。制御装置７は、給気圧検出器６１で検出された実給気圧Ｐと目標給気圧Ｐｂとを比較する。制御装置７は、実給気圧Ｐと目標給気圧Ｐｂとの偏差ΔＰが小さくなるように排気バイパス弁４９の開度を調整する。このような排気バイパス弁４９の開度調整による実給気圧Ｐの微細な調整によって、過給機３の経年劣化や排気温や大気温の違いによる過給機３の性能の微細な変動を吸収することができる。

定常運転中に大気温の上昇により給気圧が上がらず、給気圧が大幅に不足することがある。制御装置７は、定常運転中に目標給気圧Ｐｂと実給気圧Ｐとの偏差ΔＰが所定の第３閾値α３を超えると過給機３の回転を助勢するようにジェットアシスト装置３０を作動させる。これにより、過給機３の回転が助勢されて、実給気圧Ｐが目標給気圧Ｐｂに近づき、安定した運転を維持することができる。ジェットアシスト装置３０を作動させてから所定時間経過後、又は、偏差ΔＰが第４閾値α４以下となれば、ジェットアシスト装置３０を停止させる。第３閾値α３及び第４閾値α４は任意の値であって、予め制御装置７に記憶されている。第４閾値α４は、０より大きく第３閾値α３以下の数であってよい。

以上に説明したように、本実施形態に係るガスエンジンシステム１は、空気及びガス燃料の混合気を吸入して燃焼させる燃焼室２０を有し、一定の回転数で発電機８を駆動するガスエンジン２と、燃焼室２０と給気路４１を介して接続された圧縮機３１及び燃焼室２０と排気路４２を介して接続されたタービン３２を有し燃焼室２０へ給気する過給機３と、圧縮機３１へ高圧空気を吹き付けて当該圧縮機３１の回転を助勢するジェットアシスト装置３０と、燃焼室２０へのガス燃料の供給量を調整する燃料供給装置５１と、燃焼室２０への実給気圧Ｐを検出する給気圧検出器６１と、前記発電機８の電力量を検出する電力計６６と、実給気圧Ｐ及び電力量を取得して、電力量を所定の目標電力量に調節するように、検出された電力量に基づいて算出されるエンジン負荷に応じて実給気圧Ｐを制御する制御装置７とを備える。制御装置７は、エンジン負荷（又は、エンジン負荷に基づいて設定された目標エンジン負荷）に対応する給気圧を目標給気圧Ｐｂとして、実給気圧Ｐが目標給気圧Ｐｂに満たないときにジェットアシスト装置３０を作動させる。

また、本実施形態に係るガスエンジンシステム１の制御方法は、発電機８の電力量を検出すること、電力量に基づいて算出されるエンジン負荷と燃焼室２０への給気圧とを関連付ける所与の情報を利用して、エンジン負荷（又は、エンジン負荷に基づいて設定された目標エンジン負荷）に対応する給気圧である目標給気圧Ｐｂを求めること、燃焼室２０への実給気圧Ｐを検出すること、及び、実給気圧Ｐが目標給気圧Ｐｂに満たないときにジェットアシスト装置３０を作動させること、を含む。

上記ガスエンジンシステム１及びその制御方法によれば、給気圧が不足する場合に、ジェットアシスト装置３０によって過給機３の回転が助勢され、その結果、給気圧を急速に上昇させることができる。このように十分な給気圧に対応して、燃料供給量を速やかに増加させることができるので、エンジン負荷を迅速に上昇させることが可能となる。

また、本実施形態に係るガスエンジンシステム１において、制御装置７は、起動運転などの負荷上昇運転中に、目標給気圧Ｐｂと実給気圧Ｐとの偏差ΔＰを監視し、偏差ΔＰが所定の第１閾値α１を超えればジェットアシスト装置３０を作動させ、所定時間の経過後、又は、偏差ΔＰが所定の第２閾値α２以下となればジェットアシスト装置３０を停止させる。同様に、本実施形態に係るガスエンジンシステム１の制御方法において、起動運転などの負荷上昇運転中に、目標給気圧Ｐｂと実給気圧Ｐとの偏差ΔＰを監視し、偏差ΔＰが所定の第１閾値α１を超えればジェットアシスト装置３０を作動させ、所定時間の経過後、又は、偏差ΔＰが所定の第２閾値α２以下となればジェットアシスト装置３０を停止させる。

ジェットアシスト装置３０が作動すると給気圧が一気に高まることから、目標給気圧Ｐｂと実給気圧Ｐとの偏差ΔＰがさほど大きくない状況でジェットアシスト装置３０を作動させると、実給気圧Ｐが目標給気圧Ｐｂを超えて、余剰となるおそれがある。そこで、ガスエンジンシステム１ごとに適切な第１閾値α１を設定することにより、不要なジェットアシスト装置３０の作動を抑制し、効率的に助勢を行うことができる。

上記において、第１閾値α１は、負荷の増加に伴って増加する負荷の関数であってよい。

エンジン負荷が急上昇する間、エンジン負荷が低いときには給気圧は上昇しにくいが、エンジン負荷がある程度まで大きくなると給気圧は速やかに上昇する。そこで、第１閾値α１を上記のような関数とすることで、エンジン負荷が低いときは比較的小さな偏差ΔＰでもジェットアシスト装置３０が作動し、エンジン負荷が定格負荷に近づくほどジェットアシスト装置３０が作動する偏差ΔＰが大きくなる。このようにして、助勢の必要度に応じてジェットアシスト装置３０を作動させることができる。

発明者らは、起動時などのエンジン負荷が急上昇する間、エンジン負荷が定格負荷の２０％以上の範囲で偏差ΔＰが顕著となるという知見を得ている。また、エンジン負荷が急上昇する間、エンジン負荷が定格負荷の６５％を超える範囲では、偏差ΔＰは十分に小さく、過給機３を助勢する必要性が低下する。そこで、エンジン負荷上昇運転中のエンジン負荷が定格出力の２０％以上６５％以下の範囲にあるときに、偏差ΔＰの値にかかわらず、ジェットアシスト装置３０による過給機３の助勢が行われてもよい。

つまり、本実施形態に係るガスエンジンシステム１において、制御装置７は、エンジン負荷が定格負荷の２０％以上６５％以下の範囲にあるときに、ジェットアシスト装置３０を作動させてよい。同様に、本実施形態に係るガスエンジンシステム１の制御方法において、負荷が定格負荷の２０％以上６５％以下の範囲にあるときに、ジェットアシスト装置３０を作動させてよい。

上記のように、エンジン負荷が所定の範囲にあるときにジェットアシスト装置３０を作動させることで、効率的に過給機３を助勢することができる。

また、起動運転などのエンジン負荷を強制的に上昇させる負荷上昇運転中では、目標給気圧Ｐｂと実給気圧Ｐとの偏差ΔＰが大きくなって、ターボラグが生じることが初めからわかっている。このような場合には、負荷上昇中の所定のタイミングで、偏差ΔＰの値にかかわらず、ジェットアシスト装置３０による過給機３の助勢が行われてもよい。

つまり、本実施形態に係るガスエンジンシステム１において、制御装置７は、例えば起動運転などの負荷上昇運転中の任意のタイミングでジェットアシスト装置３０を作動させてよい。同様に、本実施形態に係るガスエンジンシステム１の制御方法において、負荷上昇運転中の任意のタイミングでジェットアシスト装置３０を作動させてよい。

上記のように、負荷上昇運転中の任意のタイミングでジェットアシスト装置３０を作動させることで、効率的に過給機３を助勢することができる。

また、本実施形態に係るガスエンジンシステム１において、制御装置７は、定常運転中に目標給気圧Ｐｂと実給気圧Ｐとの偏差ΔＰを監視し、偏差ΔＰが所定の第３閾値α３を超えればジェットアシスト装置３０を作動させ、所定時間の経過後、又は、偏差ΔＰが第４閾値α４以下となればジェットアシスト装置３０を停止させる。同様に、本実施形態に係るガスエンジンシステム１の制御方法において、定常運転中に目標給気圧Ｐｂと実給気圧Ｐとの偏差ΔＰを監視し、偏差ΔＰが所定の第３閾値α３を超えればジェットアシスト装置３０を作動させ、所定時間の経過後、又は、偏差が第４閾値α４以下となればジェットアシスト装置３０を停止させる。

大気温度の低下や過給機３の経年劣化等により、定常運転中に給気圧が低下することがある。このような場合に、ジェットアシスト装置３０を一時的に作動させて給気圧を高めることで、給気圧を迅速に回復させて、安定した運転を維持することができる。

以上に本発明の好適な実施の形態を説明したが、本発明の思想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。

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
７ａ ：演算処理部
７ｂ ：記憶部
８ ：発電機
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
３０ ：ジェットアシスト装置
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 ：排気バイパス弁
５１ ：主燃料噴射弁（燃料供給装置の一例）
５２ ：副燃料噴射弁
５５ ：点火装置
６１ ：給気圧検出器
６２ ：筒内圧検出器
６３ ：位相角検出器（回転数検出器の一例）
６５ ：給気温度検出器
６６ ：電力計（負荷検出器の一例）

Claims (12)

1. 空気及びガス燃料の混合気を吸入して燃焼させる燃焼室を有し、一定の回転数で発電機を駆動するガスエンジンと、
   前記燃焼室と給気路を介して接続された圧縮機及び前記燃焼室と排気路を介して接続されたタービンを有し前記燃焼室へ給気する過給機と、
   前記圧縮機へ高圧空気を吹き付けて当該圧縮機の回転を助勢するジェットアシスト装置と、
   前記燃焼室への前記ガス燃料の供給量を調整する燃料供給装置と、
   前記燃焼室への実給気圧を検出する給気圧検出器と、
   前記発電機の電力量を検出する電力計と、
   前記実給気圧及び前記電力量を取得して、前記電力量を所定の目標電力量に調節するように、前記電力量に基づいて算出されるエンジン負荷に応じて前記実給気圧を制御する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、前記エンジン負荷又は当該エンジン負荷に基づいて設定された目標エンジン負荷に対応する給気圧を目標給気圧として、前記実給気圧が前記目標給気圧に満たないときに前記ジェットアシスト装置を作動させる、
   ガスエンジンシステム。
2. 前記制御装置は、負荷上昇運転中に前記ジェットアシスト装置を作動させる、
   請求項１に記載のガスエンジンシステム。
3. 前記制御装置は、前記エンジン負荷が定格負荷の２０％以上６５％以下の範囲にあるときに、前記ジェットアシスト装置を作動させる、
   請求項２に記載のガスエンジンシステム。
4. 前記制御装置は、前記目標給気圧と前記実給気圧との偏差を監視し、前記偏差が所定の第１閾値を超えれば前記ジェットアシスト装置を作動させ、所定時間の経過後、又は、前記偏差が所定の第２閾値以下となれば前記ジェットアシスト装置を停止させる、
   請求項２又は３に記載のガスエンジンシステム。
5. 前記第１閾値は、前記エンジン負荷の増加に伴って増加する前記エンジン負荷の関数である、
   請求項４に記載のガスエンジンシステム。
6. 前記制御装置は、定常運転中に前記目標給気圧と前記実給気圧との偏差を監視し、前記偏差が所定の第３閾値を超えれば前記ジェットアシスト装置を作動させ、所定時間の経過後、又は、前記偏差が前記第４閾値以下となれば前記ジェットアシスト装置を停止させる、
   請求項１〜５のいずれか一項に記載のガスエンジンシステム。
7. 空気及びガス燃料の混合気を燃焼室へ吸入して燃焼させることにより一定の回転数で発電機を駆動するガスエンジンと、前記燃焼室と給気路を介して接続された圧縮機及び前記燃焼室と排気路を介して接続されたタービンを有し前記燃焼室へ給気する過給機と、前記圧縮機へ高圧空気を吹き付けて当該圧縮機の回転を助勢するジェットアシスト装置とを備えるガスエンジンシステムの制御方法であって、
   前記発電機の電力量を検出すること、
   前記電力量に基づいて算出されるエンジン負荷と前記燃焼室への給気圧とを関連付ける所与の情報を利用して、前記エンジン負荷又は当該エンジン負荷に基づいて設定された目標エンジン負荷に対応する前記給気圧である目標給気圧を求めること、
   前記燃焼室への実給気圧を検出すること、及び、
   前記実給気圧が前記目標給気圧に満たないときに前記ジェットアシスト装置を作動させること、を含む、
   ガスエンジンシステムの制御方法。
8. 負荷上昇運転中に前記ジェットアシスト装置を作動させる、
   請求項７に記載のガスエンジンシステムの制御方法。
9. 前記エンジン負荷が定格負荷の２０％以上６５％以下の範囲にあるときに、前記ジェットアシスト装置を作動させる、
   請求項８に記載のガスエンジンシステムの制御方法。
10. 前記目標給気圧と前記実給気圧との偏差を監視し、前記偏差が所定の第１閾値を超えれば前記ジェットアシスト装置を作動させ、所定時間の経過後、又は、前記偏差が所定の第２閾値以下となれば前記ジェットアシスト装置を停止させる、
    請求項８又は９に記載のガスエンジンシステムの制御方法。
11. 前記第１閾値は、前記エンジン負荷の増加に伴って増加する前記エンジン負荷の関数である、
    請求項１０に記載のガスエンジンシステムの制御方法。
12. 定常運転中に前記目標給気圧と前記実給気圧との偏差を監視し、前記偏差が所定の第３閾値を超えれば前記ジェットアシスト装置を作動させ、所定時間の経過後、又は、前記偏差が前記第４閾値以下となれば前記ジェットアシスト装置を停止させる、
    請求項７〜１１のいずれか一項に記載のガスエンジンシステムの制御方法。

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