JP5904802B2 - ガスエンジン - Google Patents

Description

本発明は、吸気路に配置したブロアと排気路に配置したタービンとを連結してなるターボ式過給機を備えたガスエンジンに関する。

かかるターボ式過給機を備えたガスエンジンでは、例えば非常用発電機の駆動源として利用され停電時などに電力負荷が投入される場合などにおいて、一度に多くの負荷が投入されたり、投入される負荷が急増したりすると、スロットルバルブの開度制御によるエンジン出力の上昇遅れに加え、排ガスの排出量増加遅れによるターボ式過給機の応答遅れが生じることで、迅速に必要な量の燃料ガス又は混合気を燃焼室に供給することができず、結果、エンジン回転速度が低下し、ストールに至る場合がある。

そこで、従来のガスエンジンとして、かかる負荷投入時における応答性を改善するように構成されたエンジンが知られている（例えば、特許文献１及び特許文献２を参照。）。
特許文献１に記載のガスエンジンは、負荷投入時において、ターボ式過給機の排ガスタービン側に圧縮窒素を導入することで、ターボ式過給機の回転駆動を補助する構成を採用して、ターボ式過給機の応答遅れを解消している。
一方、特許文献２に記載のガスエンジンは、負荷投入時における燃料ガスの供給量増加にあわせて、吸気路に対しブロアにより強制的に補助空気を供給する構成を採用して、エンジン出力を強制的に上昇させるようにしている。

特開２００２−１６１７５１号公報 特開２００１−０５０１１３号公報

しかしながら、従来の負荷投入時における応答性を改善するように構成されたガスエンジンでは、排気路や吸気路に対して圧縮窒素や補助空気を供給するための圧縮窒素用の圧力タンクや補助空気用のガス圧縮機を追加設置する必要があるために、構成が煩雑になり、コスト高を招く場合がある。
更に、排気路や吸気路に対して圧縮窒素や補助空気を供給する場合に、ターボ式過給機の応答性は若干改善されるものの、それは十分なものではなく、ターボ式過給機の回転速度が上昇するまでの間は、やはり燃焼室に対して新気を過給することができない期間が存在することになっていた。

一方、従来のガスエンジンとして、吸気路における吸気弁直前の吸気ポートに燃料ガスを噴射するポート噴射式のエンジンや、燃焼室に燃料ガスを直接噴射する筒内噴射式のエンジンがある。
かかるポート噴射式又は筒内噴射式のガスエンジンは、吸気行程初期において吸気弁及び排気弁との両方が開状態となるオーバーラップ期間の後に吸気ポート又は燃焼室に燃料ガスを噴射するため、未燃焼の燃料ガスが燃焼室を通過して排気路側に排出されることが防止され、エンジンの熱効率の向上が図られている。
このようなガスエンジンでは、通常、燃焼室又は吸気ポートに接続され燃料ガスが導入されるガス路に、電動式又は機械式のガス圧縮機が配置されており、吸気路に導入された燃焼用空気をターボ式過給機のブロアに通過させ、当該ターボ式過給機のブロアを通過した燃焼用空気に対してガス圧縮機で加圧された燃料ガスを噴射して混合気を形成し、当該形成された混合気を燃焼室に導入して圧縮し燃焼させる燃料噴射ターボ過給運転を実行するように構成される。
そして、かかる燃料噴射ターボ過給運転を実行するポート噴射型又は筒内噴射型のガスエンジンにおいても、負荷投入時における応答性を改善することが望まれている。

本発明は、かかる点に着目してなされたものであり、その目的は、燃料噴射ターボ過給運転を実行するポート噴射型又は筒内噴射型のガスエンジンにおいて、負荷投入時における応答性を改善することできる技術を提供する点にある。

この目的を達成するための本発明に係るガスエンジンは、
混合気を圧縮して燃焼させる燃焼室と、
前記燃焼室に接続され燃焼用空気が導入される吸気路と、
前記燃焼室に接続され当該燃焼室から排ガスが排出される排気路と、
前記吸気路に接続され燃料ガスが導入されるガス路と、
前記吸気路に配置したブロアと前記排気路に配置したタービンとを連結してなるターボ式過給機と、
前記ガス路に配置された電動式又は機械式のガス圧縮機とを備え、
前記吸気路に導入された燃焼用空気を前記ターボ式過給機のブロアに通過させ、当該ターボ式過給機のブロアを通過した燃焼用空気に対して前記ガス圧縮機で圧縮された燃料ガスを噴射して前記吸気路に混合気を形成し、当該形成された混合気を前記燃焼室に導入して圧縮し燃焼させる燃料噴射ターボ過給運転を実行可能なガスエンジンであって、
その第１特徴構成は、
前記吸気路に導入された燃焼用空気に対して前記ガス路に導入された燃料ガスを混合して前記吸気路に混合気を形成し、当該形成された混合気の少なくとも一部を前記ガス路に導入して前記ガス圧縮機で圧縮し、当該圧縮された混合気を前記燃焼室に導入して圧縮し燃焼させる予混合強制過給運転を前記燃料噴射ターボ過給運転に代えて実行可能に構成してある点にある。

上記第１特徴構成によれば、例えば負荷投入後において、燃焼室から十分な量の排ガスが排出されターボ式過給機が十分な回転速度で作動しているときには、上記燃料噴射ターボ過給運転を実行することで、吸気行程初期において吸気弁及び排気弁との両方が開状態となるオーバーラップ期間の後に吸気ポートにガス圧縮機で加圧された燃料ガスを噴射することができるため、未燃焼の燃料ガスが燃焼室を通過して排気路側に排出されることが防止され、エンジンの熱効率の向上が図られる。
一方、例えば負荷投入時において、燃焼室から排出される排ガスの量が不十分でありターボ式過給機の回転速度が不十分であるときには、この燃料噴射ターボ過給運転に代えて上記予混合強制過給運転を実行することで、ターボ式過給機に頼ることなく、吸気路において予め形成した混合気を、本来燃料ガスを加圧するために設置していたガス圧縮機で加圧し当該加圧された混合気を燃焼室に過給することができるので、一度に多くの負荷が投入された場合、又は、投入される負荷が急増した場合でも、迅速に必要な量の混合気を燃焼室に供給することができ、エンジン回転速度の低下及びそれによるストールを回避することができる。
即ち、上記予混合強制過給運転においては、吸気路におけるターボ式過給機のブロアよりも上流側に導入された燃焼用空気に対して、ガス路においてガス圧縮機よりも上流側に導入された未加圧の燃料ガスが混合されて、吸気路において予め混合気が形成される。そして、この混合気を、ターボ式過給機ではなく、燃料ガスを加圧する必要が無くなったガス圧縮機に供給して加圧することができ、当該加圧された混合気を燃焼室に過給することができる。
また、このような予混合強制過給運転では、圧縮窒素用の圧力タンクや補助空気用のガス圧縮機を追加する必要がないために、簡単且つ廉価な構成を採用することができる。

本発明に係るガスエンジンの第２特徴構成は、上記第１特徴構成に加えて、
ガスエンジンの運転を制御する制御手段を備え、
前記制御手段が、エンジン出力を制御するにあたり、高出力域では前記燃料噴射ターボ過給運転を実行し、前記高出力域よりもエンジン出力が低い低出力域では前記予混合強制過給運転を実行する点にある。

上記第２特徴構成によれば、上記制御手段により、例えば起動運転時のエンジン出力上昇過程において、低出力域では、燃焼室から排出される排ガスの量が比較的少なくターボ式過給機の回転速度が小さいので、上記予混合強制過給運転を実行して、ガス圧縮機で加圧した混合気を燃焼室に過給することで、エンジンの熱効率を高い状態に維持しつつ、エンジン回転速度を安定したものに維持できる。
一方、高出力域では、燃焼室から排出される排ガスの量が比較的多くターボ式過給機の回転速度が大きいので、上記燃料噴射ターボ過給運転を実行することで、ターボ式過給機による過給により高い熱効率で安定した運転を維持しつつ、ポート噴射式又は筒内噴射式の燃料ガスの供給方式による燃料ガスの吹き抜けを防止して、更なる熱効率の向上を図ることができる。

本発明に係るガスエンジンの第３特徴構成は、上記第１乃至第２特徴構成に加えて、
前記吸気路に導入された燃焼用空気に対して前記ガス路に導入された燃料ガスを混合して前記吸気路に混合気を形成し、当該形成された混合気を前記ターボ式過給機のブロアに通過させ、当該ターボ式過給機のブロアを通過した混合気を前記燃焼室に導入して圧縮し燃焼させる予混合ターボ過給運転を前記燃料噴射ターボ過給運転及び前記予混合強制過給運転に代えて実行可能に構成してある点にある。

上述したような予混合強制過給運転と燃料噴射ターボ過給運転との切り替え時には、新気の通流状態が、ガス圧縮機により過給する強制過給状態とターボ式過給機により過給するターボ過給状態との間で切り替えられることに加えて、燃料ガスの供給状態が、ターボ式過給機のブロアを通過した燃焼用空気に対してガス圧縮機で加圧された燃料ガスを噴射するポート噴射式又は筒内噴射式の燃料噴射状態と、吸気路におけるターボ式過給機のブロアよりも上流側に導入された燃焼用空気に対してガス路においてガス圧縮機よりも上流側に導入された未加圧の燃料ガスを混合する予混合状態との間で切り替えられることになる。このように、新気の通流状態と燃料ガスの供給状態とを同時に切り替えると、燃焼室に供給される混合気の空燃比が変動し、一時的に運転状態が不安定になる場合がある。
そこで、上記第３特徴構成によれば、上記予混合ターボ過給運転を介して、上記予混合強制過給運転と上記燃料噴射ターボ過給運転との切り替えを行うことができ、予混合強制過給運転と予混合ターボ過給運転との切り替え時では燃料ガスの供給状態を切り替えることなく新気の通流状態を切り替え、一方、予混合ターボ過給運転と燃料噴射ターボ過給運転との切り替え時では新気の通流状態を切り替えることなく燃料ガスの供給状態を切り替えるというように、新気の通流状態と燃料ガスの供給状態とを同時に切り替えることがないので、切り替え時における混合気の空燃比の変動を抑制し、安定した運転状態を維持することができる。

本発明に係るガスエンジンの第４特徴構成は、上記第３特徴構成に加えて、
ガスエンジンの運転を制御する制御手段を備え、
前記制御手段が、エンジン出力を制御するにあたり、高出力域では前記燃料噴射ターボ過給運転を実行し、前記高出力域よりもエンジン出力が低い中出力域では前記予混合ターボ過給運転を実行し、前記中出力域よりもエンジン出力が低い低出力域では前記予混合強制過給運転を実行する点にある。

上記第４特徴構成によれば、上記制御手段により、例えば起動運転時のエンジン出力上昇過程において、上記低出力域において予混合強制過給運転を実行し、上記高出力時において燃料噴射ターボ過給運転を実行するため、上述した第２特徴構成と同様の作用効果を発揮することができる。
更に、上記中出力域では、燃焼室から排出される排ガスの量が比較的多くターボ式過給機の回転速度が大きいので、新気の通流状態を上記燃料噴射ターボ過給運転と同じターボ過給状態としつつ、燃料ガスの供給状態を上記予混合強制過給運転と同じ予混合状態とすることで、低出力域と中出力域との間の移行時、及び、中出力域と高出力域との間の移行時において、新気の通流状態と燃料ガスの供給状態とが択一的に切り替わることになり、切り替え時における混合気の空燃比の変動が抑制されるので、スムーズなエンジン出力変更を実現することができる。

本発明に係るガスエンジンの第５特徴構成は、上記第１乃至第４特徴構成に加えて、
前記ガス路が、前記吸気路における前記ターボ式過給機のブロアの下流側の流路である高圧側吸気路に配置された燃料噴射部に接続された第１ガス路と、前記吸気路における前記ターボ式過給機のブロアの上流側の流路である低圧側吸気路に配置された燃料混合部に接続された第２ガス路とからなると共に、前記ガス圧縮機が前記第１ガス路に設けられ、
前記低圧側吸気路における前記燃料混合部の下流側の流路と前記第１ガス路における前記ガス圧縮機の上流側の流路である低圧側第１ガス路とを接続する第１接続路を備え、
前記燃料噴射ターボ過給運転時においては前記第１ガス路への燃料ガスの供給を許容すると共に前記第２ガス路への燃料ガスの供給を遮断する燃料噴射状態とし、一方、前記予混合強制過給運転時においては前記第１ガス路への燃料ガスの供給を遮断すると共に前記第２ガス路への燃料ガスの供給を許容する予混合状態とする形態で、燃料ガスの供給状態を切り替える燃料ガス供給状態切替手段と、
前記燃料噴射ターボ過給運転時においては前記低圧側吸気路から前記ターボ式過給機のブロアへの新気の供給を許容すると共に前記第１接続路での新気の通流を遮断するターボ過給状態とし、前記予混合強制過給運転時においては前記低圧側吸気路から前記ターボ式過給機のブロアへの新気の供給を遮断又は制限すると共に前記第１接続路での新気の通流を許容する強制過給状態とする形態で、新気の通流状態を切り替える新気通流状態切替手段とを備えた点にある。

上記第５特徴構成によれば、ガス圧縮機が設けられ上記燃料噴射部に接続された上記第１ガス路と上記燃料混合部に接続された上記第２ガス路とからガス路を構成し、切替弁などで構成可能な燃料ガス供給状態切替手段を設けるだけで、燃料ガスの供給状態を、燃料噴射ターボ過給運転時における燃料噴射状態と、予混合強制過給運転時における予混合状態との間で、切り替えることができる。
また、吸気路と第１ガス路とを接続する上記第１接続路を設け、切替弁などで構成可能な新気通流状態切替手段とを設けるだけで、新気の通流状態を、燃料噴射ターボ過給運転時におけるターボ過給状態と、予混合強制過給運転時における強制過給状態との間で、切り替えることができる。
即ち、従来のガスエンジンに対して、燃料ガス及び新気が通流する通路及び切替弁等の配置を改変するだけという簡単且つ廉価な構成を採用するだけで、これまで説明したような燃料噴射ターボ過給運転と予混合強制過給運転とを択一的に実行可能なガスエンジンを実現することができる。

本発明に係るガスエンジンの第６特徴構成は、上記第５特徴構成に加えて、
前記吸気路に導入された新気に前記ガス路に導入され前記ガス圧縮機で圧縮されていない燃料ガスを混合して前記吸気路に混合気を形成し、当該形成された混合気を前記ターボ式過給機のブロアに通過させ、当該ターボ式過給機のブロアを通過した混合気を前記燃焼室に導入して圧縮し燃焼させる予混合ターボ過給運転を前記燃料噴射ターボ過給運転及び前記予混合強制過給運転に代えて実行可能に構成してあり、
前記燃料ガス供給状態切替手段が、前記予混合ターボ過給運転時においては燃料ガスの供給状態を前記予混合状態とし、
前記新気通流状態切替手段が、前記予混合ターボ過給運転時においては新気の通流状態を前記ターボ過給状態とする点にある。

上記第６特徴構成によれば、上記予混合ターボ過給運転を実行可能に構成されていることから、上述した第３特徴構成と同様の作用効果を発揮することができる。
更に、上記燃料ガス供給状態切替手段及び上記新気通流状態切替手段は、上記予混合ターボ過給運転時において、燃料ガスの供給状態を前記予混合状態とし、新気の通流状態を前記ターボ過給状態とする、という簡単な構成を採用するだけで、これまで説明してきた燃料噴射ターボ過給運転及び予混合強制過給運転に代えて予混合ターボ運転を実行可能なガスエンジンを実現することができる。

本発明に係るガスエンジンの第７特徴構成は、上記第６特徴構成に加えて、
前記高圧側吸気路と前記第１ガス路における前記ガス圧縮機の下流側の流路である高圧側第１ガス路とを接続する第２接続路を備え、
前記新気通流状態切替手段が、新気の通流状態を前記ターボ過給状態とするときには前記第２接続路での新気の通流を遮断し、新気の通流状態を前記強制過給状態とするときには前記第２接続路での新気の通流を許容する点にある。

上記第７特徴構成によれば、上記第２接続路を備えることで、上記新気通流状態切替手段により新気の通流状態を強制過給状態に切り替えて、ガス圧縮機で加圧され高圧側第１ガス路に吐出された混合気を、流路断面積が比較的小さい燃料噴射部を通じて燃焼室に供給するのではなく、流路断面積が比較的大きい第２接続路及び高圧側吸気路を通じて燃焼室に供給することができるので、混合気の圧力損失による効率低下を抑制することができる。

本実施形態に係るガスエンジンの構成、及び燃料噴射ターボ過給運転の状態を示す図 本実施形態に係るガスエンジンの予混合ターボ過給運転の状態を示す図 本実施形態に係るガスエンジンの予混合強制過給運転の状態を示す図 本実施形態に係るガスエンジンの起動運転時のエンジン出力上昇過程における各制御弁の状態変移を示すフロー図

本発明に係るガスエンジンの実施形態について図面に基づいて説明する。
尚、図１〜３では、燃料ガスＧ、燃焼用空気Ａ、又は混合気Ｍのガスが通流している流路を太実線で示し、通流してない流路を細実線で示しており、また、各種制御弁において、閉状態のものを黒塗りで示し、開状態のものを白抜きで示している。

先ず、本実施形態に係るガスエンジンの基本構成について、図１、図２、及び図３に基づいて説明する。
本実施形態のガスエンジンは、天然ガス系都市ガスの燃料ガスＧを利用したレシプロ式ガスエンジンとして構成されている。即ち、シリンダの内面とピストンの頂面とで規定される複数の燃焼室２を配置してなる多気筒型のエンジン本体１を備えると共に、夫々の燃焼室２に接続され燃焼用空気Ａが導入される吸気路７と、夫々の燃焼室２に接続され当該燃焼室２から排ガスＥが排出される排気路８と、燃料ガスＧが導入される第１ガス路９及び第２ガス路１０と、吸気路７に配置したブロア１９ａと排気路８に配置したタービン１９ｂとを連結してなるターボ式過給機１９と、第１ガス路９に配置されたガス圧縮機２０とが備えられている。また、センサ等の検出結果が入力され、その入力信号に基づいて制御弁などの各種補機を制御して、ガスエンジンの運転を制御するコンピュータからなるエンジンコントロールユニット（以下、ＥＣＵと呼ぶ。）４０（制御手段の一例）が備えられている。
尚、複数の燃焼室２の夫々に対して、吸気路７は、複数の吸気ポート７ｃ及び吸気弁（図示せず）を介して接続されており、一方、排気路８は、複数の排気ポート８ｃ及び排気弁（図示せず）を介して接続されている。また、上記第１ガス路９は、後述する燃料噴射弁１５に接続されたガス路であり、上記第２ガス路１０は、低圧側吸気路７ａに配置された後述するミキサ１６に接続されたガス路であり、第１ガス路９と吸気路７との接続路とも言える。

そして、この種のガスエンジンは、吸気路７から燃焼室２に吸気された混合気Ｍを、ピストン（図示せず）の上昇により圧縮した状態で点火プラグ（図示省略）にて火花点火して燃焼・膨張させることで、ピストンを押し下げて出力軸３から回転動力を出力し、燃焼により発生した排ガスＥは、燃焼室２から排気路８に押し出され、外部に排出される。
更に、出力軸３には非常用発電機５０が接続されており、出力軸３で出力した回転動力が非常用発電機５０の駆動源として利用される。
非常用発電機５０には、電力線及び開閉器５１を介して電力負荷５２が接続されており、例えば、停電時において外部からの起動指令信号を受けたＥＣＵ４０によりエンジン本体１が起動され、出力軸３を回転させた状態で開閉器５１が開状態（電力通流を遮断する状態）から閉状態（電力通流を許容する状態）に切り替えられることで、非常用発電機５０に対して電力負荷５２で要求される電力に相当する発電負荷が投入され、それに伴って出力軸３に対して非常用発電機５０を回転駆動するために必要な回転負荷が投入される。

ターボ式過給機１９は、排気路８を通流する排ガスＥの運動エネルギによりタービン１９ｂを回転させ、このタービン１９ｂの回転力により吸気路７に配置されたブロア１９ａを回転駆動する形態で、吸気路７を通流する混合気Ｍ又は燃焼用空気Ａである新気Ｆを燃焼室２に対して過給することができる。また、かかるターボ式過給機１９は、比較的高出力で運転が行われ排気路８に多量の排ガスＥが排出され当該排ガスＥが有する運動エネルギが比較的大きいときには新気Ｆを十分に過給できる程度に回転するが、比較的低出力で運転が行われ排気路８に排出される排ガスＥが少量となり当該排ガスＥが有する運動エネルギが比較的小さいときには回転が不十分になり新気Ｆを十分に過給できない状態となる。
尚、吸気路７において、後述するターボ式過給機１９のブロア１９ａの上流側で且つ後述するミキサ１６の下流側の流路を低圧側吸気路７ａと呼び、同ブロア１９ａの下流側の流路を高圧側吸気路７ｂと呼ぶ。夫々の吸気ポート７ｃは高圧側吸気路７ｂに含まれることになる。
また、排気路８には、ターボ式過給機１９のタービン１９ｂをバイパスするバイパス路１１、及びそのバイパス路１１におけるガスの通流を断続可能且つガスの流量を調整可能な制御弁Ｖ４が設けられている。
即ち、この制御弁Ｖ４を閉状態に切り替えると、排気路８において排ガスＥはタービン１９ｂを通流することになるので、その運動エネルギはターボ式過給機１９の回転動力として利用されることになり、一方、この制御弁Ｖ４を開状態に切り替えると、排気路８において排ガスＥはタービン１９ｂを通流しなくなるので、その運動エネルギは利用されずに排ガスＥがバイパス路１１を通じて外部に排出されることになる。また、このように制御弁Ｖ４を開状態に切り替えて、排ガスＥを、バイパス路１１を通じて外部に排出する場合には、排ガスＥの圧力損失が低減するので、燃焼室２から排気路８に排ガスＥを排出するために消費されるポンピングロスが低減される。

夫々の吸気ポート７ｃには、当該吸気ポート７ｃに燃料ガスＧを噴射する燃料噴射弁１５（燃料噴射部の一例）が夫々設けられており、第１ガス路９がこれら夫々の燃料噴射弁１５に接続されている。
また、第１ガス路９には、ガス圧縮機２０のブロア２０ａが配置されており、当該ガス圧縮機２０は、電動機２０ｂの回転力により第１ガス路９に配置されたブロア２０ａを回転駆動する形態で、第１ガス路９を通流するガスを加圧する所謂電気式のガス用の圧縮機として構成されている。
尚、当該第１ガス路９において、後述するガス圧縮機２０のブロア２０ａの上流側の流路を低圧側第１ガス路９ａと呼び、同ブロア２０ａの下流側の流路を高圧側第１ガス路９ｂと呼ぶ。
更に、低圧側第１ガス路９ａ及び高圧側第１ガス路９ｂの夫々には、ガスの通流を断続可能且つガスの流量を調整可能な制御弁Ｖ１ｂ、Ｖ３ｂが設けられている。
低圧側吸気路７ａには、ミキサ１６（燃料混合部の一例）が設けられており、第２ガス路１０がこのミキサ１６に接続されている。
また、この第２ガス路１０には、ガスの通流を断続可能且つガスの流量を調整可能な制御弁Ｖ１ａが設けられている。

第１接続路１２が、低圧側吸気路７ａにおけるミキサ１６の下流側の流路と低圧側第１ガス路９ａにおける制御弁Ｖ１ｂの下流側の流路とを接続する流路として設けられており、その第１接続路１２には、ガスの通流を断続可能且つガスの流量を調整可能な制御弁Ｖ２ａが設けられている。
また、第２接続路１３が、高圧側吸気路７ｂと高圧側第１ガス路９ｂとを接続する流路として設けられており、その第２接続路１３には、ガスの通流を断続可能且つガスの流量を調整可能な制御弁Ｖ３ａが設けられている。
また、低圧側吸気路７ａにおける上記第１接続路１２への分岐点より下流側の流路には、ガスの通流を断続可能且つガスの流量を調整可能な制御弁Ｖ２ｂが設けられている。

エンジン本体１には、出力軸３から出力される回転動力の回転速度を検出しＥＣＵ４０に検出結果を出力する回転速度センサ５が設けられており、吸気路７の高圧側吸気路７ｂには、電動式のスロットルバルブ３０が設けられている。そして、ＥＣＵ４０は、回転速度センサ５で検出される回転速度が所望の定格回転速度になるように、スロットルバルブ３０の開度を制御する。

上記制御弁Ｖ１ａ、Ｖ１ｂ、Ｖ２ａ、Ｖ２ｂ、Ｖ３ａ、Ｖ３ｂは、その開閉状態が切り替えられることで、燃料ガスＧの供給状態及び新気Ｆの通流状態が切り替えられ、以下にその詳細について説明する。
ＥＣＵ４０は、燃料ガスＧの供給状態を、下記のような燃料噴射状態と予混合状態との間で択一的に切り替える燃料ガス供給状態切替手段Ｘとして機能する。
〔燃料噴射状態〕
即ち、燃料噴射状態では、図１に示すように、制御弁Ｖ１ｂ及び制御弁Ｖ３ｂが開状態とされ制御弁Ｖ２ａ及び制御弁Ｖ３ａが閉状態とされることで第１ガス路９への燃料ガスＧの供給が許容されると共に、制御弁Ｖ１ａが閉状態とされることで第２ガス路１０への燃料ガスＧの供給が遮断される。すると、電動機２０ｂにより駆動されるガス圧縮機２０により加圧された比較的高圧の燃料ガスＧが、高圧側第１ガス路９ｂを通じて燃料噴射弁１５に供給され、燃料噴射弁１５の開閉タイミングがＥＣＵ４０により制御されることで、吸気行程初期において吸気弁及び排気弁との両方が開状態となるオーバーラップ期間の直後に、その比較的高圧の燃料ガスＧが吸気ポート７ｃに噴射され、結果、当該吸気ポート７ｃに混合気Ｍが形成されることになる。

〔予混合状態〕
一方、予混合状態では、図２及び図３に示すように、制御弁Ｖ１ｂが閉状態とされることで第１ガス路９へ燃料ガスＧの供給が遮断されると共に、制御弁Ｖ１ａが開状態とされることで第２ガス路１０への燃料ガスＧの供給が許容される。すると、ガス圧縮機２０により加圧されていない比較的低圧の燃料ガスＧが、第２ガス路１０を通じてミキサ１６に供給されて低圧側吸気路７ａを通流する燃焼用空気Ａに混合されることで、当該低圧側吸気路７ａに混合気Ｍが形成されることになる。

ＥＣＵ４０は、燃焼用空気Ａ又は混合気Ｍである新気Ｆの通流状態を、下記のようなターボ過給状態と強制過給状態との間で択一的に切り替える新気通流状態切替手段Ｙとして機能する。
〔ターボ過給状態〕
即ち、ターボ過給状態では、図１及び図２に示すように、制御弁Ｖ２ｂが開状態とされることで低圧側吸気路７ａからターボ式過給機１９のブロア１９ａへの新気Ｆの供給が許容されると共に、制御弁Ｖ２ａが閉状態とされることで第１接続路１２での新気Ｆの通流が遮断され、更には、制御弁Ｖ３ａが閉状態とされていることで第２接続路１３での新気Ｆの通流が遮断される。すると、低圧側吸気路７ａを通流する新気Ｆはターボ式過給機１９のブロア１９ａに供給され、当該ブロア１９ａで排ガスＥの運動エネルギを利用して加圧された新気Ｆが高圧側吸気路７ｂを通じて燃焼室２に吸気されることになる。

〔強制過給状態〕
一方、強制過給状態では、図３に示すように、制御弁Ｖ２ｂが閉状態とされることで低圧側吸気路７ａからターボ式過給機１９のブロア１９ａへの新気Ｆの供給が遮断されると共に、制御弁Ｖ２ａ及び制御弁Ｖ３ａが開状態とされることで第１接続路１２及び第２接続路１３での新気Ｆの通流が許容される。すると、低圧側吸気路７ａを通流する新気Ｆ（具体的には混合気Ｍ）が第１接続路１２及び低圧側第１ガス路９ａを通じてガス圧縮機２０のブロア２０ａに供給され、当該ブロア２０ａで電動機２０ｂの駆動力を利用して加圧された新気Ｆが高圧側第１ガス路９ｂ、第２接続路１３、及び高圧側吸気路７ｂを通じて燃焼室２に吸気されることになる。また、この強制過給運転状態においては、ターボ式過給機１９を作動させる必要がないため、制御弁Ｖ４が開状態とされて、ポンピングロスの低減が図られている。
更に、この強制過給状態では、新気Ｆをガス圧縮機２０で加圧するのであるが、新気Ｆの全量を加圧するのではなく、その一部のみを加圧し後に他部と合流させるように構成することもできる。即ち、制御弁Ｖ２ｂを完全に閉状態とするのではなく開度を絞る程度に留めることで、低圧側吸気路７ａからターボ式過給機１９のブロア１９ａへの新気Ｆの供給を制限すれば、新気Ｆの一部をガス圧縮機２０のブロア２０ａを通過させて加圧すると共に、残部をターボ式過給機１９のブロア１９ａを通過させ、それらを高圧側吸気路７ｂにおいて合流させることができる。この場合でも、合流した後の新気Ｆは、低圧側吸気路７ａを流通する新気Ｆよりも高圧になる。

ＥＣＵ４０は、エンジン出力制御において、上述した燃料ガスＧの供給状態及び新気Ｆの通流状態を切り替えることで、下記のような燃料噴射ターボ過給運転（図１参照）、予混合ターボ過給運転（図２参照）、及び予混合強制過給運転（図３参照）を択一的に実行するように構成されており、その詳細について以下に説明する。
即ち、燃料噴射ターボ過給運転を実行するにあたり、ＥＣＵ４０は、図１に示すように、燃料ガスＧの供給状態を燃料噴射弁１５に燃料ガスＧを供給する燃料噴射状態とすると共に、新気Ｆの通流状態をターボ式過給機１９で新気Ｆを過給するターボ過給状態とする。すると、吸気路７に導入された燃焼用空気Ａをターボ式過給機１９のブロア１９ａに通過させ、当該ターボ式過給機１９のブロア１９ａを通過した燃焼用空気Ａに対してガス圧縮機２０で加圧された燃料ガスＧを燃料噴射弁１５により噴射して混合気Ｍを形成し、当該形成された混合気Ｍを燃焼室２に導入して圧縮し燃焼させる形態で、燃料噴射ターボ過給運転が実行されることになる。
更に、ＥＣＵ４０は、エンジン出力が比較的大きく燃焼室２から十分な量の排ガスＥが排気路８排出されターボ式過給機１９が十分な回転速度で作動している高出力域においては、このような燃焼噴射ターボ過給運転を実行することにより、未燃焼の燃料ガスＧが燃焼室２を通過して排気路８側に排出されることを防止し、熱効率の向上を図る。

また、予混合強制過給運転を実行するにあたり、ＥＣＵ４０は、図３に示すように、燃料ガスＧの供給状態をミキサ１６に燃料ガスＧを供給する予混合状態とすると共に、新気Ｆの通流状態をガス圧縮機２０で新気Ｆを過給する強制過給運転とする。すると、吸気路７に導入された燃焼用空気Ａに対して第２ガス路１０に導入された燃料ガスＧをミキサ１６において混合して混合気Ｍを形成し、当該形成された混合気Ｍをガス圧縮機２０のブロア２０ａに通過させ、当該ガス圧縮機２０のブロア２０ａを通過した混合気Ｍを燃焼室２に導入して圧縮し燃焼させる形態で、予混合強制過給運転が実行されることになる。
更に、ＥＣＵ４０は、エンジン出力が比較的低く燃焼室２から排気路８に排出される排ガスＥの量が不十分でありターボ式過給機１９の回転速度が不十分である低出力域においては、このような予混合強制過給運転を実行することにより、一度に多くの負荷が投入された場合、又は、投入される負荷が急増した場合でも、迅速に必要な量の混合気Ｍを燃焼室２に供給できるようにして、エンジン回転速度の低下及びそれによるストールを回避する。

また、予混合ターボ過給運転を実行するにあたり、ＥＣＵ４０は、図２に示すように、燃料ガスＧの供給状態をミキサ１６に燃料ガスＧを供給する予混合状態とすると共に、新気Ｆの通流状態をターボ式過給機１９で新気Ｆを過給するターボ過給状態とする。すると、吸気路７に導入された燃焼用空気Ａに対して第２ガス路１０に導入された燃料ガスＧをミキサ１６において混合して混合気Ｍを形成し、当該形成された混合気Ｍをターボ式過給機１９のブロア１９ａに通過させ、当該ターボ式過給機１９のブロア１９ａを通過した混合気Ｍを燃焼室２に導入して圧縮し燃焼させる形態で、予混合ターボ過給運転が実行されることになる。
更に、ＥＣＵ４０は、エンジン出力が上記高出力域と上記低出力域との間にあり燃焼室２から十分な量の排ガスＥが排気路８排出されターボ式過給機１９が十分な回転速度で作動している中出力域においては、このような予混合ターボ過給運転を実行することにより、上記予混合強制過給運転と上記燃料噴射ターボ過給運転との切り替えが上記予混合ターボ過給運転を介して切り替えられることになるので、燃料ガスＧの供給状態及び新気Ｆの通流状態の両方を同時に切り替えることがなくなり、その同時切り替えによる空燃比の変動を抑制し、安定した運転状態を維持する。

更に、ＥＣＵ４０は、上記のような運転切り替えを、起動運転時のエンジン出力上昇過程において好適に実行することで、負荷投入時における応答性を改善するように構成されており、以下に、そのＥＣＵ４０による起動運転時の制御フローについて、図４に基づいて説明する。
先ず、停電時において外部からの起動指令信号を受けると、エンジン本体１が起動され、エンジン出力は比較的小さい低出力域であるために、上述した予混合強制過給運転（図３参照）が実行される。この際には、制御弁Ｖ１ａ、Ｖ２ａ、Ｖ３ａ、Ｖ４が開状態とされ、且つ制御弁Ｖ２ｂ、Ｖ３ｂが閉状態とされることで、燃料ガスＧの供給状態が予混合状態とされ、新気Ｆの供給状態は強制過給状態とされる。また、出力軸３の回転速度は、スロットルバルブ３０の開度制御により所望の定格回転速度に維持される。
このように予混合強制過給運転を実行しているときに、開閉器５１が開状態（電力通流を遮断する状態）から閉状態（電力通流を許容する状態）に切り替えられ、非常用発電機５０から電力負荷５２への電力供給が開始される所謂負荷投入が行われるが、予混合強制過給運転により安定した運転状態が維持されているため、エンジン回転速度の低下（矢印Ｐを参照）は従来と比べ非常に小さなものとなる。

負荷投入が完了し、エンジン出力の上昇に伴って出力軸３から出力されるトルクが所定値まで増加して中出力域となると、ターボ式過給機１９による過給が可能となるので、上述した予混合強制過給運転から予混合ターボ過給運転（図２参照）に移行される。この際に、制御弁Ｖ２ａ、Ｖ３ａ、Ｖ４が開状態から閉状態に切り替えられ、且つ制御弁Ｖ２ｂ、Ｖ３ｂが閉状態から開状態へ切り替えられることで、新気Ｆの通流状態のみが強制過給状態からターボ過給状態に切り替えられる。
また、この新気通流状態移行時において、上記制御弁Ｖ２ａ、Ｖ３ｂ、Ｖ４は、即座に開閉を切り替えるのではなく、徐々に開度が変化するように開閉が切り替えられる。このようにすることで、ターボ式過給機１９においてブロア１９ａへ供給される混合気Ｍの量及びタービン１９ｂへ供給される排ガスＥの量を徐々に増加させることができ、急激な負荷増加によるターボ式過給機１９の能力低下を回避することができる。

更に、エンジン出力が定格出力まで上昇し出力軸３から出力されるトルクが所定の定格トルクまで増加して高出力域となると、更なる熱効率の向上を図るべく、上述した予混合ターボ過給運転から燃料噴射ターボ過給運転（図１参照）に移行される。この際に、制御弁Ｖ１ａが開状態から閉状態に切り替えられ、且つ制御弁Ｖ１ｂが閉状態から開状態へ切り替えられることで、燃料ガスＧの供給状態のみが予混合状態から燃料噴射状態に切り替えられる。
また、この燃料ガス供給状態移行時において、上記制御弁Ｖ１ａ、Ｖ１ｂは、即座に開閉を切り替えるのではなく、徐々に開度が変化するように開閉が切り替えられる。このようにすることで、吸気路７に混合気Ｍが存在しているのにもかかわらず更にその混合気Ｍに対して燃料噴射弁１５から多くの燃料ガスＧが供給されることを防止し、燃焼室２に対して燃料ガスＧが過剰に供給されことによる異常燃焼を回避することができる。

〔別実施形態〕
最後に、本発明のその他の実施形態について説明する。尚、以下に説明する各実施形態の構成は、夫々単独で適用されるものに限られず、矛盾が生じない限り、他の実施形態の構成と組み合わせて適用することも可能である。
（１）上記実施形態では、燃料噴射ターボ過給運転と予混合強制過給運転との移行を、予混合ターボ過給運転を介して行うように構成したが、この予混合ターボ過給運転を省略して直接移行するように構成しても構わない。

（２）上記実施形態では、燃料噴射ターボ過給運転、予混合ターボ過給運転、及び予混合強制過給運転を択一的に実行するために、第２ガス路１０、第１接続路１２、及び第２接続路１３を備えると共に、夫々の流路における燃料ガスＧの供給状態及び新気Ｆの通流状態の切り替えを行うための制御弁Ｖ１ａ、Ｖ１ｂ、Ｖ２ａ、Ｖ２ｂ、Ｖ３ａ、Ｖ３ｂを備える構成を採用したが、本発明に係るガスエンジンは、この構成に限定されるものではなく、適宜流路及び制御弁の配置を改変することができる。例えば、上記実施形態では、第２接続路１３を、高圧側吸気路７ｂと高圧側第１ガス路９ｂとを接続する流路として設ける構成を採用したが、この第２接続路１３を低圧側吸気路７ａの制御弁Ｖ２ｂの下流側と高圧側第１ガス路９ｂとを接続する流路として構成し、新気Ｆの通流状態を強制過給状態とする場合において、ガス圧縮機２０で加圧された新気Ｆを低圧側吸気路７ａ、ターボ式過給機１９のブロア１９ａ、及び高圧側吸気路７ｂを通じて燃焼室２に供給するように構成することができる。

（３）上記実施形態では、ターボ式過給機１９のタービン１９ｂをバイパスするバイパス路１１を設けたが、このバイパス路１１を省略して、ターボ式過給機１９の作動及び非作動にかかわらず、排ガスＥは常にタービン１９ｂを通過させるように構成しても構わない。

（４）上記実施形態では、ガス圧縮機２０を、電動機２０ｂの回転力によりブロア２０ａを回転駆動する電動式のものとして構成したが、出力軸３の回転動力の一部を利用してブロアを回転駆動する機械式のものとして構成しても構わない。

（５）上記実施形態では、本発明に係るガスエンジンを、非常用発電機５０を駆動するものとして利用したが、例えば圧縮式ヒートポンプを有する空調システムの駆動源等としても利用可能である。

（６）上記実施形態では、燃料ガスＧとして、天然ガス系都市ガスを好適に利用したが、別に、水素などの任意の気体燃料を使用することができる。また、本発明に係るガスエンジンを多気筒型に構成した例を説明したが、別に単気筒型に構成しても構わない。

本発明は、吸気路に配置したブロアと排気路に配置したタービンとを連結してなるターボ式過給機を備えたガスエンジンとして有効に利用可能である。

２ ：燃焼室
７ ：吸気路
７ａ ：低圧側吸気路
７ｂ ：高圧側吸気路
８ ：排気路
９ ：第１ガス路（ガス路）
９ａ ：低圧側第１ガス路
９ｂ ：高圧側第１ガス路
１０ ：第２ガス路（ガス路）
１２ ：第１接続路
１３ ：第２接続路
１５ ：燃料噴射弁（燃料噴射部）
１６ ：ミキサ（燃料混合部）
１９ ：ターボ式過給機
１９ａ ：ブロア
１９ｂ ：タービン
２０ ：ガス圧縮機
Ａ ：燃焼用空気
Ｅ ：排ガス
Ｆ ：新気
Ｇ ：燃料ガス
Ｍ ：混合気
Ｘ ：燃料ガス供給状態切替手段
Ｙ ：新気通流状態切替手段

Claims (7)

1. 混合気を圧縮して燃焼させる燃焼室と、
   前記燃焼室に接続され燃焼用空気が導入される吸気路と、
   前記燃焼室に接続され当該燃焼室から排ガスが排出される排気路と、
   前記吸気路に接続され燃料ガスが導入されるガス路と、
   前記吸気路に配置したブロアと前記排気路に配置したタービンとを連結してなるターボ式過給機と、
   前記ガス路に配置された電動式又は機械式のガス圧縮機とを備え、
   前記吸気路に導入された燃焼用空気を前記ターボ式過給機のブロアに通過させ、当該ターボ式過給機のブロアを通過した燃焼用空気に対して前記ガス圧縮機で圧縮された燃料ガスを噴射して前記吸気路に混合気を形成し、当該形成された混合気を前記燃焼室に導入して圧縮し燃焼させる燃料噴射ターボ過給運転を実行可能なガスエンジンであって、
   前記吸気路に導入された燃焼用空気に対して前記ガス路に導入された燃料ガスを混合して前記吸気路に混合気を形成し、当該形成された混合気の少なくとも一部を前記ガス路に導入して前記ガス圧縮機で圧縮し、当該圧縮された混合気を前記燃焼室に導入して圧縮し燃焼させる予混合強制過給運転を前記燃料噴射ターボ過給運転に代えて実行可能に構成してあるガスエンジン。
2. ガスエンジンの運転を制御する制御手段を備え、
   前記制御手段が、エンジン出力を制御するにあたり、高出力域では前記燃料噴射ターボ過給運転を実行し、前記高出力域よりもエンジン出力が低い低出力域では前記予混合強制過給運転を実行する請求項１に記載のガスエンジン。
3. 前記吸気路に導入された燃焼用空気に対して前記ガス路に導入された燃料ガスを混合して前記吸気路に混合気を形成し、当該形成された混合気を前記ターボ式過給機のブロアに通過させ、当該ターボ式過給機のブロアを通過した混合気を前記燃焼室に導入して圧縮し燃焼させる予混合ターボ過給運転を前記燃料噴射ターボ過給運転及び前記予混合強制過給運転に代えて実行可能に構成してある請求項１又は２に記載のガスエンジン。
4. ガスエンジンの運転を制御する制御手段を備え、
   前記制御手段が、エンジン出力を制御するにあたり、高出力域では前記燃料噴射ターボ過給運転を実行し、前記高出力域よりもエンジン出力が低い中出力域では前記予混合ターボ過給運転を実行し、前記中出力域よりもエンジン出力が低い低出力域では前記予混合強制過給運転を実行する請求項３に記載のガスエンジン。
5. 前記ガス路が、前記吸気路における前記ターボ式過給機のブロアの下流側の流路である高圧側吸気路に配置された燃料噴射部に接続された第１ガス路と、前記吸気路における前記ターボ式過給機のブロアの上流側の流路である低圧側吸気路に配置された燃料混合部に接続された第２ガス路とからなると共に、前記ガス圧縮機が前記第１ガス路に設けられ、
   前記低圧側吸気路における前記燃料混合部の下流側の流路と前記第１ガス路における前記ガス圧縮機の上流側の流路である低圧側第１ガス路とを接続する第１接続路を備え、
   前記燃料噴射ターボ過給運転時においては前記第１ガス路への燃料ガスの供給を許容すると共に前記第２ガス路への燃料ガスの供給を遮断する燃料噴射状態とし、一方、前記予混合強制過給運転時においては前記第１ガス路への燃料ガスの供給を遮断すると共に前記第２ガス路への燃料ガスの供給を許容する予混合状態とする形態で、燃料ガスの供給状態を切り替える燃料ガス供給状態切替手段と、
   前記燃料噴射ターボ過給運転時においては前記低圧側吸気路から前記ターボ式過給機のブロアへの新気の供給を許容すると共に前記第１接続路での新気の通流を遮断するターボ過給状態とし、前記予混合強制過給運転時においては前記低圧側吸気路から前記ターボ式過給機のブロアへの新気の供給を遮断又は制限すると共に前記第１接続路での新気の通流を許容する強制過給状態とする形態で、新気の通流状態を切り替える新気通流状態切替手段とを備えた請求項１〜４の何れか１項に記載のガスエンジン。
6. 前記吸気路に導入された新気に前記ガス路に導入され前記ガス圧縮機で圧縮されていない燃料ガスを混合して前記吸気路に混合気を形成し、当該形成された混合気を前記ターボ式過給機のブロアに通過させ、当該ターボ式過給機のブロアを通過した混合気を前記燃焼室に導入して圧縮し燃焼させる予混合ターボ過給運転を前記燃料噴射ターボ過給運転及び前記予混合強制過給運転に代えて実行可能に構成してあり、
   前記燃料ガス供給状態切替手段が、前記予混合ターボ過給運転時においては燃料ガスの供給状態を前記予混合状態とし、
   前記新気通流状態切替手段が、前記予混合ターボ過給運転時においては新気の通流状態を前記ターボ過給状態とする請求項５に記載のガスエンジン。
7. 前記高圧側吸気路と前記第１ガス路における前記ガス圧縮機の下流側の流路である高圧側第１ガス路とを接続する第２接続路を備え、
   前記新気通流状態切替手段が、新気の通流状態を前記ターボ過給状態とするときには前記第２接続路での新気の通流を遮断し、新気の通流状態を前記強制過給状態とするときには前記第２接続路での新気の通流を許容する請求項６に記載のガスエンジン。

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