JP2023131355A - ガスエンジンシステム - Google Patents

Abstract

【課題】換気専用のフィルタを用いることなくクランクケース内を換気することができるガスエンジンシステムを提供する。【解決手段】ガスエンジンシステム１は、４サイクルのガスエンジン３と、過給機２を含む過給機２は、吸気路１２によりガスエンジン３と接続された圧縮機２１と、排気路１３によりガスエンジン３と接続されたタービン２２を含む。さらに、ガス按針システム１は、吸気路１２から分岐してガスエンジン３のクランクケース３４につながる、吸気路１２を流れる吸気の一部をクランクケース３４内に導入する第１換気路５と、クランクケース３４内の気体をクランクケース３４外に排出する第２換気路６を含む。【選択図】図１

Description

本開示は、ガスエンジンを含むガスエンジンシステムに関する。

４サイクルのガスエンジンでは、空気と気体燃料の混合気が燃焼室内で圧縮される際に、シリンダとピストンとの隙間からクランクケース内へブローバイガスが漏れ出す。このブローバイガスには未燃の気体燃料が含まれる。このため、クランクケース内が換気されることが望ましい。

例えば、特許文献１には、水素ガスを燃料とするガスエンジンにおいて、クランクケース内に外気を導入して換気することが記載されている。

特開２０２１－１２７７０４号公報

ところで、クランクケース内に外気を導入する場合、クランクケース内への異物の侵入を防止するために、換気専用のフィルタが必要である。

そこで、本開示は、換気専用のフィルタを用いることなくクランクケース内を換気することができるガスエンジンシステムを提供することを目的とする。

本開示は、クランクケースを含む４サイクルのガスエンジンと、吸気路により前記ガスエンジンと接続された圧縮機、および排気路により前記ガスエンジンと接続されたタービンを含む過給機と、前記吸気路から分岐して前記クランクケースにつながる、前記吸気路を流れる吸気の一部を前記クランクケース内に導入する第１換気路と、前記クランクケース内の気体を前記クランクケース外に排出する第２換気路と、を備える、ガスエンジンシステムを提供する。

本開示によれば、換気専用のフィルタを用いることなくクランクケース内を換気することができる。

第１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。 第２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。 第３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。 第４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。

（第１実施形態）
図１に、一実施形態に係るガスエンジンシステム１を示す。このガスエンジンシステム１は、気体燃料を燃料とする４サイクルのガスエンジン３と、過給機２を含む。気体燃料としては、例えば、天然ガス、都市ガス、水素ガスなどが挙げられる。あるいは、気体燃料は、複数種類の気体の混合体であってもよい。

ガスエンジン３は、気体燃料のみを燃料とするガス専焼エンジンであってもよいし、燃料を気体燃料と液体燃料（例えば、Ａ重油など）の一方または双方に切り換え可能な二元燃料エンジンであってもよい。

過給機２は、吸気路１２によりガスエンジン３と接続された圧縮機２１と、排気路１３によりガスエンジン３と接続されたタービン２２を含む。圧縮機２１には、当該圧縮機２１へ外気を導入する流入路１１が接続され、タービン２２には、当該タービン２２から流出する排気を大気中へ放出する流出路１４が接続されている。

圧縮機２１で圧縮された外気は吸気として吸気路１２を通じてガスエンジン３へ供給され、ガスエンジン３から排出される排気は排気路１３を通じてタービン２２へ供給される。図示は省略するが、流入路１１には外気から異物を除去するためのフィルタが設けられる。

ガスエンジン３は、クランクシャフト３１と、クランクシャフト３１を収容するクランクケース３４と、クランクケース３４から突出する複数（図１では代表として１つのみを図示）のシリンダ３５を含む。シリンダ３５は、クランクシャフト３１の軸方向に一列で並んでもよいし二列で並んでもよい。

クランクケース３４内には、可動部の潤滑などに使用されるエンジンオイルが貯留される。なお、クランクケース３４の下部は、エンジンオイルを受けるオイルパンを構成し、クランクケース３４の上部およびシリンダ３５の外側部分（内側部分はシリンダライナ）はシリンダブロック（架構とも呼ばれる）を構成する。

各シリンダ３５にはシリンダヘッド３６が取り付けられており、各シリンダ３５内にはピストン３３が配置されている。ピストン３３は、ロッド３２によりクランクシャフト３１と連結されている。ピストン３３とシリンダヘッド３６との間には燃焼室３０が形成される。ピストン３３の外周面には、当該外周面とシリンダ３５の内周面との間をシールするためのピストンリングが装着される。

シリンダヘッド３６には、吸気ポート４１および排気ポート４２が形成されている。また、シリンダヘッド３６には、吸気ポート４１の燃焼室３０に対する開口を開閉する吸気弁４３と、排気ポート４２の燃焼室３０に対する開口を開閉する排気弁４４が設けられている。

上述した吸気路１２の下流側部分はシリンダ３５と同数の分岐路に分岐しており、各分岐路が対応する吸気ポート４１に接続される。同様に、上述した排気路１３の上流側部分はシリンダ３５と同数の分岐路に分岐しており、各分岐路が対応する排気ポート４２に接続される。

さらに、シリンダヘッド３６には、吸気中に気体燃料を噴射する燃料噴射弁４５と、吸気と気体燃料の混合気に燃焼室３０内で点火する点火装置４６が設けられている。図例では、燃料噴射弁４５が吸気ポート４１内で混合気が形成される位置に設けられているが、燃料噴射弁４５は、燃焼室３０内で混合気が形成される位置（すなわち、燃焼室３０内に気体燃料を直接噴射する位置）に設けられてもよい。

点火装置４６は、点火プラグであってもよいし、噴孔を介して燃焼室３０と連通する副室を含む副室式のものであってもよい。あるいは、点火装置４６は、燃焼室３０内にパイロット油を噴射してパイロット油を自着火させるものであってもよい。

さらに、ガスエンジンシステム１は、吸気路１２から分岐してクランクケース３４につながる、吸気路１２を流れる吸気の一部をクランクケース３４内に導入する第１換気路５と、クランクケース３４内の気体をクランクケース３４外に排出する第２換気路６を含む。

図１では、第１換気路５および第２換気路６がガスエンジン３の外部に配置される配管を模擬した図となっているが、第１換気路５および第２換気路６は、上述したシリンダブロック（クランクケース３４の上部およびシリンダ３５の外側部分）に形成される内部通路を利用して構成されてもよい。

本実施形態では、第１換気路５にオリフィス５１が設けられている。また、本実施形態では、第２換気路６の下流端が大気中に開放されており、第２換気路６に換気ファン６１が設けられている。

本実施形態では、第１換気路５および第２換気路６をガスエンジン３に対して１つずつ設けている。これに対し、必要な流量を確保することや、クランクケース３４内で淀み部を作らず確実に換気させることを目的として、第１換気路５および第２換気路６のそれぞれを複数設けてもよい。

換気ファン６１は、クランクケース３４内の圧力が負圧に保たれる回転数で回転する。換気ファン６１の回転数は、予め定められた一定の回転数であってもよいが、本実施形態では、制御装置７により変更される。制御装置７は、クランクケース３４内の圧力を計測する圧力計７１と電気的に接続されている。制御装置７は、圧力計７１で計測されるクランクケース３４内の圧力が負圧に保たれるように換気ファン６１を制御する。

制御装置７に関し、本明細書で開示する要素の機能は、開示された機能を実行するよう構成またはプログラムされた汎用プロセッサ、専用プロセッサ、集積回路、ASIC（Application Specific Integrated Circuits）、従来の回路、および/または、それらの組み合わせ、を含む回路または処理回路を使用して実行できる。プロセッサは、トランジスタやその他の回路を含むため、処理回路または回路と見なされる。本開示において、回路、ユニット、または手段は、列挙された機能を実行するハードウエアであるか、または、列挙された機能を実行するようにプログラムされたハードウエアである。ハードウエアは、本明細書に開示されているハードウエアであってもよいし、あるいは、列挙された機能を実行するようにプログラムまたは構成されているその他の既知のハードウエアであってもよい。ハードウエアが回路の一種と考えられるプロセッサである場合、回路、手段、またはユニットはハードウエアとソフトウエアの組み合わせであり、ソフトウエアはハードウエアおよび/またはプロセッサの構成に使用される。

以上説明したように、本実施形態では、吸気の一部がクランクケース３４内に導入されるため、換気専用のフィルタを用いることなくクランクケース３４内を換気することができる。

また、本実施形態では、第２換気路６の下流端が大気中に開放されているので、ブローバイガスを大気中へ放出することができる。

さらに、本実施形態では、クランクケース３４内が負圧に保たれる。クランクケース３４内が正圧であると、クランクケース３４内に貯留されるエンジンオイルが、クランクケース３４におけるクランクシャフト３１とのシール部を超えて外部に漏れたり、ピストンリングを超えて燃焼室３０に入るオイルアップ量が増えたりする。これに対し、クランクケース３４内が負圧に保たれれば、そのような不具合を抑制することができる。

ところで、ガスエンジン３の運転状態に応じて吸気路１２の圧力である給気圧が変化すると、給気圧に応じて第１換気路５を介してクランクケース３４内に流入する空気量が変化する。クランクケース３４内に流入する空気量が換気ファン６１で掃引できる許容量を超えるとクランクケース３４内の負圧が維持できなくなる虞がある。このように給気圧が変わりうる状態でも、第１換気路５に設置するオリフィス５１の通路径を適切に選定することで、換気ファン６１で掃引できる空気量を超えない範囲で換気する流量を制限でき、クランクケース３４内を負圧に保つことができる。

（第２実施形態）
図２に、第２実施形態に係るガスエンジンシステム１Ａを示す。なお、本実施形態ならびに後述する第３および第４実施形態において、第１実施形態と同一構成要素には同一符号を付し、重複した説明は省略する。

本実施形態では、第２換気路６に換気ファン６１（図１参照）が設けられておらず、第２換気路６の下流端が流入路１１に接続されている。

本実施形態でも、第１実施形態と同様に、換気専用のフィルタを用いることなくクランクケース３４内を換気することができる。また、本実施形態では、圧縮機２１による吸い込みの負圧を利用してクランクケース３４内の気体を引き抜くことができるので、第２換気路６に換気ファン６１を設ける必要がない。

しかも、本実施形態では、第１換気路５にオリフィス５１を設けるだけでクランクケース３４内を負圧に保つことができる。従って、第１実施形態と同様に、エンジンオイルの外部への漏れ、およびオイルアップ量の増加を抑制することができる。

（第３実施形態）
図３に、第３実施形態に係るガスエンジンシステム１Ｂを示す。本実施形態では、タービン２２をバイパスするバイパス路８が設けられている。バイパス路８は、排気路１３から分岐して流出路１４につながっている。バイパス路８には、バイパス弁８１が設けられている。バイパス弁８１は、制御装置７により制御される。

制御装置７は、圧力計７１だけでなく、吸気路１２の圧力である給気圧を計測する圧力計７２とも電気的に接続されている。制御装置７は、圧力計７２で計測される給気圧が、ガスエンジン３への要求出力に応じた所定の圧力となるように、バイパス弁８１を制御する。つまり、バイパス弁８１の開度が小さくされると、圧縮機２１の回転数が高くなって給気圧が高くなり、バイパス弁８１の開度が大きくされると、圧縮機２１の回転数が低くなって給気圧が低くなる。

本実施形態でも、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、本実施形態では、給気圧がエンジン出力に応じて調整されるので、ガスエンジン３の性能を最適化することができる。

なお、バイパス路８が設けられる代わりに、タービン２２として可変ノズルタービンが用いられてもよい。この構成でも、可変ノズルタービンのノズルを、給気圧がガスエンジン３への要求出力に応じた所定の圧力となるように制御すれば、上記と同様の効果を得ることができる。

（第４実施形態）
図４に、第４実施形態に係るガスエンジンシステム１Ｃを示す。本実施形態では、第１換気路５に、オリフィス５１の代わりに流量調整弁５２が設けられている。

流量調整弁５２は、制御装置７により、圧力計７１で計測されるクランクケース３４内の圧力が負圧に保たれるように制御される。

本実施形態でも、第１実施形態と同様に、換気専用のフィルタを用いることなくクランクケース３４内を換気することができる。また、本実施形態では、制御装置７による流量調整弁５２の制御によってクランクケース３４内を負圧に保つことができる。従って、第１実施形態と同様に、エンジンオイルの外部への漏れ、およびオイルアップ量の増加を抑制することができる。

なお、ガスエンジン３の用途によっては、ガスエンジン３の回転数が一定である場合もあるし、変動する場合もある。ガスエンジン３の回転数が変動する場合、流量調整弁５２が、クランクケース３４内の圧力だけでなくガスエンジン３の回転数にも基づいて制御されてもよい。

また、ガスエンジン３が燃料を気体燃料と液体燃料の一方または双方に切り換え可能な二元燃料エンジンである場合、流量調整弁５２は、燃料が液体燃料に切り換えられたとき（すなわち、液体燃料運転時）に閉じられ、燃料が気体燃料または気体燃料と液体燃料の双方に切り換えられたとき（すなわち、気体燃料運転時）に、クランクケース３４内が負圧に保たれるように制御されてもよい。この構成であれば、必要なときのみクランクケース３４内を換気することができる。燃料が液体燃料だけであれば、未燃燃料の大半は液体の状態を維持してオイルパンまで到達し、ブローバイガスに含まれる未燃の気体燃料は微量の液体燃料が気化した炭化水素であり、一般的には強制換気が不要であるためである。

（その他の実施形態）
本開示は上述した実施形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。

例えば、第４実施形態の、オリフィス５１の代わりに設けられる流量調整弁５２がクランクケース３４内の圧力に基づいて制御されるという構成は、第２実施形態および第３実施形態にも適用可能である。

（まとめ）
本開示は、クランクケースを含む４サイクルのガスエンジンと、吸気路により前記ガスエンジンと接続された圧縮機、および排気路により前記ガスエンジンと接続されたタービンを含む過給機と、前記吸気路から分岐して前記クランクケースにつながる、前記吸気路を流れる吸気の一部を前記クランクケース内に導入する第１換気路と、前記クランクケース内の気体を前記クランクケース外に排出する第２換気路と、を備える、ガスエンジンシステムを提供する。

上記の構成によれば、吸気の一部がクランクケース内に導入されるため、換気専用のフィルタを用いることなくクランクケース内を換気することができる。

前記第２換気路の下流端は大気中に開放されており、前記第２換気路には換気ファンが設けられてもよい。この構成によれば、ブローバイガスを大気中へ放出することができる。

前記第１換気路にはオリフィスが設けられており、前記換気ファンは、前記クランクケース内が負圧に保たれる回転数で回転してもよい。クランクケース内が正圧であると、クランクケース内に貯留されるエンジンオイルが、クランクケースにおけるクランクシャフトとのシール部を超えて外部に漏れたり、ピストンリングを超えて燃焼室に入るオイルアップ量が増えたりする。これに対し、クランクケース内が負圧に保たれれば、そのような不具合を抑制することができる。

前記圧縮機には、当該圧縮機へ外気を導入する流入路が接続されており、前記第２換気路の下流端は、前記流入路に接続されてもよい。この構成によれば、圧縮機による吸い込みの負圧を利用してクランクケース内の気体を引き抜くことができるので、第２換気路に換気ファンを設ける必要がない。

前記第１換気路にはオリフィスが設けられてもよい。この構成によれば、クレンクケース内を負圧に保つことができる。クランクケース内が正圧であると、クランクケース内に貯留されるエンジンオイルが、クランクケースにおけるクランクシャフトとのシール部を超えて外部に漏れたり、ピストンリングを超えて燃焼室に入るオイルアップ量が増えたりする。これに対し、クランクケース内が負圧に保たれれば、そのような不具合を抑制することができる。

前記第１換気路には圧力調整弁が設けられており、前記圧力調整弁は、前記クランクケース内が負圧に保たれるように制御されてもよい。この構成によれば、クレンクケース内を負圧に保つことができる。クランクケース内が正圧であると、クランクケース内に貯留されるエンジンオイルが、クランクケースにおけるクランクシャフトとのシール部を超えて外部に漏れたり、ピストンリングを超えて燃焼室に入るオイルアップ量が増えたりする。これに対し、クランクケース内が負圧に保たれれば、そのような不具合を抑制することができる。

前記ガスエンジンは、燃料を気体燃料と液体燃料の一方または双方に切り換え可能な二元燃料エンジンであり、前記圧力調整弁は、前記燃料が液体燃料に切り換えられたときに閉じられ、前記燃料が前記気体燃料または前記気体燃料と前記液体燃料の双方に切り換えられたときに、前記クランクケース内が負圧に保たれるように制御されもよい。この構成によれば、必要なときのみクランクケース内を換気することができる。

１，１Ａ～１Ｃ ガスエンジンシステム
１１ 流入路
１２ 吸気路
１３ 排気路
１４ 流出路
２ 過給機
２１ 圧縮機
２２ タービン
３ ガスエンジン
３４ クランクケース
５ 第１換気路
５１ オリフィス
５２ 流量調整弁
６ 第２換気路
６１ 換気ファン

Claims (7)

1. クランクケースを含む４サイクルのガスエンジンと、
   吸気路により前記ガスエンジンと接続された圧縮機、および排気路により前記ガスエンジンと接続されたタービンを含む過給機と、
   前記吸気路から分岐して前記クランクケースにつながる、前記吸気路を流れる吸気の一部を前記クランクケース内に導入する第１換気路と、
   前記クランクケース内の気体を前記クランクケース外に排出する第２換気路と、
   を備える、ガスエンジンシステム。
2. 前記第２換気路の下流端は大気中に開放されており、前記第２換気路には換気ファンが設けられている、請求項１に記載のガスエンジンシステム。
3. 前記第１換気路にはオリフィスが設けられており、
   前記換気ファンは、前記クランクケース内が負圧に保たれる回転数で回転する、請求項２に記載のガスエンジンシステム。
4. 前記圧縮機には、当該圧縮機へ外気を導入する流入路が接続されており、
   前記第２換気路の下流端は、前記流入路に接続されている、請求項１に記載のガスエンジンシステム。
5. 前記第１換気路にはオリフィスが設けられている、請求項４に記載のガスエンジンシステム。
6. 前記第１換気路には流量調整弁が設けられており、
   前記流量調整弁は、前記クランクケース内が負圧に保たれるように制御される、請求項２または４に記載のガスエンジンシステム。
7. 前記ガスエンジンは、燃料を気体燃料と液体燃料の一方または双方に切り換え可能な二元燃料エンジンであり、
   前記流量調整弁は、前記燃料が液体燃料に切り換えられたときに閉じられ、前記燃料が前記気体燃料または前記気体燃料と前記液体燃料の双方に切り換えられたときに、前記クランクケース内が負圧に保たれるように制御される、請求項６に記載のガスエンジンシステム。
   

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