JP6047217B1 - ガスエンジン駆動システム - Google Patents
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Abstract
【課題】負荷が急激に上昇した場合や燃料ガスの発熱量が低い場合に、ガスエンジンで所望の出力を得ることができるガスエンジン駆動システムを提供する。【解決手段】ガスエンジン駆動システムは、ガスエンジンと、ガスエンジンと接続された圧縮機およびタービンを含む過給機と、ガスエンジンに設けられた燃料噴射弁と、燃料噴射弁へ燃料ガスを導く燃料供給ラインであって、圧力調整弁が設けられた燃料供給ラインと、圧縮機からガスエンジンへ送られる給気の圧力である給気圧を検出する第1圧力計と、圧力調整弁の下流側の圧力である燃料供給圧を検出する第2圧力計と、燃料供給圧と給気圧との差圧が目標値となるように圧力調整弁を制御する制御装置と、を備え、制御装置は、ガスエンジンの負荷が急激に上昇したときまたは燃料ガスの発熱量が閾値を下回ったときに、目標値を第1設定値から第1設定値よりも高い第2設定値に変更する。【選択図】図1
Description
本発明は、ガスエンジンおよび過給機(ターボチャージャ)を含むガスエンジン駆動システムに関する。
従来から、ガスエンジンおよび過給機を含むガスエンジン駆動システムが知られている(例えば、特許文献1参照)。過給機は、ガスエンジンと接続された圧縮機およびタービンを含む。ガスエンジンには、燃料噴射弁が設けられており、この燃料噴射弁には、燃料供給ラインを通じて燃料ガスが導かれる。燃料供給ラインには、圧力調整弁が設けられている。一般的に、圧力調整弁は、燃料供給圧と給気圧との差圧が一定となるように制御される。
ところで、ガスエンジンでは、負荷が急激に上昇した場合や燃料ガスの発熱量が低い場合には、多くの燃料ガスが必要となる。しかしながら、燃料噴射弁の燃料噴射期間には上限があるため、負荷が急激に上昇した場合や燃料ガスの発熱量が低い場合には、ガスエンジンで所望の出力を得るのに必要な量の燃料ガスを噴射できないことがある。
そこで、本発明は、負荷が急激に上昇した場合や燃料ガスの発熱量が低い場合に、ガスエンジンで所望の出力を得ることができるガスエンジン駆動システムを提供することを目的とする。
前記課題を解決するために、本発明のガスエンジン駆動システムは、ガスエンジンと、前記ガスエンジンと接続された圧縮機およびタービンを含む過給機と、前記ガスエンジンに設けられた燃料噴射弁と、前記燃料噴射弁へ燃料ガスを導く、圧力調整弁が設けられた燃料供給ラインと、前記圧縮機から前記ガスエンジンへ送られる給気の圧力である給気圧を検出する第1圧力計と、前記圧力調整弁の下流側の圧力である燃料供給圧を検出する第2圧力計と、前記第2圧力計で検出される燃料供給圧と前記第1圧力計で検出される給気圧との差圧が目標値となるように前記圧力調整弁を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記ガスエンジンの負荷が急激に上昇したときまたは前記燃料ガスの発熱量が閾値を下回ったときに、前記目標値を第1設定値から前記第1設定値よりも高い第2設定値に変更する、ことを特徴とする。
上記の構成によれば、負荷が急激に上昇した場合や燃料ガスの発熱量が低い場合には、燃料供給圧と給気圧との差圧が大きくされるため、単位噴射期間あたりの燃料噴射弁からの燃料噴射量を増大させることができる。従って、燃料噴射期間が上限に達する前に、ガスエンジンで所望の出力を得るのに必要な量の燃料ガスを噴射することが可能になる。その結果、負荷が急激に上昇した場合や燃料ガスの発熱量が低い場合に、ガスエンジンで所望の出力を得ることができる。
前記制御装置は、前記ガスエンジンの負荷が急激に上昇したときに、前記目標値を前記第1設定値から前記第2設定値に変更し、前記ガスエンジンの負荷が急激に上昇してから所定時間経過したときに、前記目標値を前記第1設定値へ戻してもよい。この構成によれば、急激な負荷上昇後の通常運転時は、ガスエンジンの最適な性能が得られる設定値での運転を維持できる。
前記制御装置は、前記燃料ガスの発熱量が閾値を下回ったときに、前記燃料ガスの発熱量が小さくなるほど前記第2設定値が大きくなるように前記第2設定値を決定し、前記目標値を前記第1設定値から前記第2設定値に変更してもよい。この構成によれば、燃料ガスの発熱量が低くなるほど燃料噴射量を増大させることができ、燃料ガスの発熱量が低い場合でもガスエンジンの出力を維持できる。
上記のガスエンジン駆動システムは、前記燃料ガスの発熱量を検出する発熱量計をさらに備え、前記制御装置は、前記発熱量計で検出される燃料ガスの発熱量が閾値を下回ったときに、前記目標値を前記第1設定値から前記第2設定値に変更してもよい。この構成によれば、燃料ガスの発熱量が急激に変化した直後でもガスエンジンの出力を維持できる。
上記のガスエンジン駆動システムは、前記ガスエンジンにより駆動される発電機と、前記発電機により生成された電力を検出する電力計をさらに備え、前記制御装置は、前記電力計で検出される電力および前記燃料噴射弁の燃料噴射量から燃料ガスの発熱量を算出し、算出した発熱量が閾値以下となったときに、前記目標値を前記第1設定値から前記第2設定値に変更してもよい。この構成によれば、発熱量計を用いることなく、燃料ガスの発熱量が急激に変化した直後でもガスエンジンの出力を維持できる。
上記のガスエンジン駆動システムは、前記ガスエンジンの出力トルクを検出するトルク計をさらに備え、前記制御装置は、前記トルク計で検出される前記ガスエンジンの出力トルクおよび前記燃料噴射弁の燃料噴射量から燃料ガスの発熱量を算出し、算出した発熱量が閾値以下となったときに、前記目標値を前記第1設定値から前記第2設定値に変更してもよい。この構成によれば、発熱量計を用いることなく、燃料ガスの発熱量が急激に変化した直後でもガスエンジンの出力を維持できる。
本発明によれば、負荷が急激に上昇した場合や燃料ガスの発熱量が低い場合に、ガスエンジンで所望の出力を得ることができる。
(第1実施形態)
図1に、本発明の第1実施形態に係るガスエンジン駆動システム1Aを示す。このシステム1Aは、ガスエンジン3、過給機2および制御装置6を含む。
図1に、本発明の第1実施形態に係るガスエンジン駆動システム1Aを示す。このシステム1Aは、ガスエンジン3、過給機2および制御装置6を含む。
ガスエンジン3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もよいし、燃料ガスと燃料油の一方または双方を燃焼させる二元燃料エンジンであってもよい。本実施形態では、ガスエンジン3が4ストロークエンジンであるが、ガスエンジン3は2ストロークエンジンであってもよい。また、ガスエンジン3は、例えば、陸上での発電に用いられてもよいし、船舶の主機(電気推進でも機械推進でも可)に用いられてもよい。
ガスエンジン3は、複数のシリンダ(図示せず)を有する。ガスエンジン3には、各シリンダにそれぞれ対応する複数の燃料噴射弁4が設けられている。燃料噴射弁4へは、燃料供給ライン5を通じて燃料ガスが導かれる。
各シリンダ内では、ピストンが二往復することにより、ガスエンジン3の1サイクル(給気、圧縮、膨張、排気)が行われる。シリンダにおける1サイクルの間のガスエンジン3の位相角(0〜720度)は、位相角検出器35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)やピストンの位置などを用いることができる。例えば、位相角検出器35は、電磁ピックアップ、近接スイッチまたはロータリーエンコーダである。また、位相角検出器35からは、ガスエンジン3の実回転数も検出される。
過給機2は、給気路31によりガスエンジン3と接続された圧縮機21と、排気路32によりガスエンジン3と接続されたタービン22を含む。給気路31は、圧縮機21からガスエンジン3の全てのシリンダへ給気を導き、排気路32は、ガスエンジン3の全てのシリンダからタービン22へ排気を導く。給気路31には、ガスエンジン3へ送られる給気の圧力である給気圧を検出する第1圧力計71が設けられている。
上述した燃料供給ライン5には、圧力調整弁51が設けられている。また、燃料供給ライン5には、圧力調整弁51の下流側の圧力である燃料供給圧を検出する第2圧力計72が設けられている。
制御装置6は、位相角検出器35で検出される位相角に基づいて各燃料噴射弁4を制御する。また、制御装置6は、燃料噴射弁4に対し、ガスエンジン3の実回転数を目標回転数に調整するPID制御を行う。さらに、制御装置6は、第2圧力計72で検出される燃料供給圧と第1圧力計71で検出される給気圧との差圧ΔPが目標値PTとなるように圧力調整弁51を制御する。
次に、図2を参照して、圧力調整弁51の制御を詳しく説明する。
制御装置6は、負荷が急激に上昇したか否かを判定する(ステップS1)。負荷が急激に上昇していない場合(ステップS1でNO)、制御装置6は、上述した目標値PTとして第1設定値P1を採用し、第1設定値P1に基づいて圧力調整弁51を制御する(ステップS2)。換言すれば、制御装置6は、燃料供給圧と給気圧との差圧ΔPが第1設定値P1となるように圧力調整弁51を制御する。
負荷が急激に上昇したか否かは、種々の方法によって判定することができる。その方法は、例えば以下のとおりである。
(1)必要燃料噴射量の上昇速度を算出し、必要燃料噴射量の上昇速度が閾値を上回れば負荷が急激に上昇したと判定し、必要燃料噴射量の上昇速度が閾値を下回れば負荷が急激に上昇していないと判定する。
(2)実回転数と目標回転数との偏差を算出し、実回転数と目標回転数との偏差が閾値を上回れば負荷が急激に上昇したと判定し、実回転数と目標回転数との偏差が閾値を下回れば負荷が急激に上昇していないと判定する。
(3)ガスエンジン3の出力トルクをトルク計で検出するとともに出力トルクの上昇速度を算出し、出力トルクの上昇速度が閾値を上回れば負荷が急激に上昇したと判定し、出力トルクの上昇速度が閾値を下回れば負荷が急激に上昇していないと判定する。
(1)必要燃料噴射量の上昇速度を算出し、必要燃料噴射量の上昇速度が閾値を上回れば負荷が急激に上昇したと判定し、必要燃料噴射量の上昇速度が閾値を下回れば負荷が急激に上昇していないと判定する。
(2)実回転数と目標回転数との偏差を算出し、実回転数と目標回転数との偏差が閾値を上回れば負荷が急激に上昇したと判定し、実回転数と目標回転数との偏差が閾値を下回れば負荷が急激に上昇していないと判定する。
(3)ガスエンジン3の出力トルクをトルク計で検出するとともに出力トルクの上昇速度を算出し、出力トルクの上昇速度が閾値を上回れば負荷が急激に上昇したと判定し、出力トルクの上昇速度が閾値を下回れば負荷が急激に上昇していないと判定する。
一方、負荷が急激に上昇した場合には(ステップS1でYES)、制御装置6は、上述した目標値PTとして第1設定値P1よりも高い第2設定値P2を採用し、第2設定値P2に基づいて圧力調整弁51を制御する(ステップS3)。換言すれば、制御装置6は、燃料供給圧と給気圧との差圧ΔPが第2設定値P2となるように圧力調整弁51を制御する。つまり、制御装置6は、負荷が急激に上昇したときに、燃料供給圧と給気圧との差圧ΔPの目標値PTを第1設定値P1から第2設定値P2に変更する。
例えば、第1設定値P1は0.05〜0.08MPaであり、第2設定値P2は0.1〜0.2MPaであり、第1設定値P1と第2設定値P2との差は0.05〜0.15MPaである。
その後、制御装置6は、負荷が急激に上昇してから所定時間ΔT経過するまで(ステップS4でNO)第2設定値P2に基づいて圧力調整弁51を制御し、負荷が急激に上昇してから所定時間ΔT経過したときに(ステップS4でYES)、燃料供給圧と給気圧との差圧ΔPの目標値PTを第1設定値P1に戻す(ステップS5)。その後、ステップS1に戻る。
なお、制御装置6は、負荷が急激に増加しないとき(すなわち、ステップS2)には圧力調整弁51の開度をゆっくり変化させ、負荷が急激に増加するとき(すなわち、ステップS3)は圧力調整弁51の開度を速く変化させることが望ましい。
一例として、図3(a)に示すように、ガスエンジン3の負荷が約0%から100%に急激に上昇したと仮定する。このとき、目標値PT、差圧ΔPおよび燃料噴射期間は、図3(b)〜(d)に示すように推移する。
以上説明したように、本実施形態のガスエンジン駆動システム1Aでは、負荷が急激に上昇した場合には、燃料供給圧と給気圧との差圧ΔPが大きくされるため、単位噴射期間あたりの燃料噴射弁からの燃料噴射量を増大させることができる。従って、燃料噴射期間が上限θm(例えば、150度)に達する前に、ガスエンジン3で所望の出力を得るのに必要な量の燃料ガスを噴射することが可能になる。その結果、負荷が急激に上昇した場合に、ガスエンジン3で所望の出力を得ることができる。仮に、図3(d)に示すようにたとえ燃料噴射期間が上限θmに達した場合でも、差圧ΔPを大きくした分、より多くの燃料ガスを噴射することができる。従って、負荷が急激に上昇した場合に、ガスエンジン3で所望の出力を得やすくなる。
しかも、目標値PTは、ガスエンジン3の負荷が急激に上昇してから所定時間ΔT経過したときに、第2設定値P2から第1設定値P1へ戻されるので、急激な負荷上昇後の通常運転時は、ガスエンジン3の最適な性能が得られる設定値での運転を維持できる。
(第2実施形態)
次に、図4および図5を参照して、本発明の第2実施形態に係るガスエンジン駆動システム1Bを説明する。なお、本実施形態および後述する第3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。
次に、図4および図5を参照して、本発明の第2実施形態に係るガスエンジン駆動システム1Bを説明する。なお、本実施形態および後述する第3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、燃料供給ライン5に、燃料ガスの発熱量Q(例えば、単位:J/Nm3)を検出する発熱量計8が設けられている。発熱量計8は、サンプリング式であってもよいしオンライン式であってもよい。
制御装置6は、図5に示すように、まず、発熱量計8で検出される燃料ガスの発熱量Qを閾値αと比較する(ステップS11)。発熱量Qが閾値αを上回っている場合(ステップS11でNO)、制御装置6は、上述した目標値PTとして第1設定値P1を採用し、第1設定値P1に基づいて圧力調整弁51を制御する(ステップS12)。換言すれば、制御装置6は、燃料供給圧と給気圧との差圧ΔPが第1設定値P1となるように圧力調整弁51を制御する。
一方、発熱量Qが閾値αを下回っている場合(ステップS11でYES)、制御装置6は、上述した目標値PTとして第1設定値P1よりも高い第2設定値P2を採用し、第2設定値P2に基づいて圧力調整弁51を制御する(ステップS13)。換言すれば、制御装置6は、燃料供給圧と給気圧との差圧ΔPが第2設定値P2となるように圧力調整弁51を制御する。つまり、制御装置6は、発熱量Qが閾値αを下回ったときに、燃料供給圧と給気圧との差圧ΔPの目標値PTを第1設定値P1から第2設定値P2に変更する。
例えば、第1設定値P1は0.05〜0.07MPaである。制御装置6には、発熱量Qに対して第2設定値P2が定められたマップが予め格納されている。本実施形態では、図6に示すように、燃料ガスの発熱量Qが小さくなるほど第2設定値P2が大きくなるマップが採用されている。従って、制御装置6は、ステップS13で第2設定値P2を採用する際に、燃料ガスの発熱量Qが小さくなるほど第2設定値P2が大きくなるように第2設定値P2を決定する。例えば、第2設定値P2は、発熱量Qの特定範囲内で、最大値(例えば、0.1〜0.2MPa)から第1設定値P1まで、直線的に低下する。
一例として、図7(a)に示すように、燃料ガスの発熱量Qが閾値αよりも大きな値から閾値αよりも小さな値まで低下したと仮定する。このとき、目標値PTは、図7(b)に示すように推移する。
以上説明したように、本実施形態のガスエンジン駆動システム1Bでは、燃料ガスの発熱量Qが低い場合には、燃料供給圧と給気圧との差圧ΔPが大きくされるため、単位噴射期間あたりの燃料噴射弁4からの燃料噴射量を増大させることができる。従って、燃料噴射期間が上限に達する前に、ガスエンジン3で所望の出力を得るのに必要な量の燃料ガスを噴射することが可能になる。その結果、燃料ガスの発熱量Qが低い場合に、ガスエンジン3で所望の出力を得ることができる。仮に、燃料噴射期間が上限に達した場合でも、差圧ΔPを大きくした分、より多くの燃料ガスを噴射することができる。従って、燃料ガスの発熱量が低い場合に、ガスエンジン3で所望の出力を得やすくなる。
しかも、第2設定値P2は、燃料ガスの発熱量Qが小さくなるほど大きくなるように決定されるので、燃料ガスの発熱量Qが低くなるほど燃料噴射量を増大させることができ、燃料ガスの発熱量Qが低い場合でもガスエンジン3の出力を維持できる。
さらに、本実施形態では、発熱量計8で検出される燃料ガスの発熱量Qが閾値αを下回ったときに、目標値PTが第1設定値P1から第2設定値P2に変更されるので、燃料ガスの発熱量Qが急激に変化した直後でもガスエンジン3の出力を維持できる。
(第3実施形態)
次に、図8および図9を参照して、本発明の第3実施形態に係るガスエンジン駆動システム1Cを説明する。
次に、図8および図9を参照して、本発明の第3実施形態に係るガスエンジン駆動システム1Cを説明する。
本実施形態では、第2実施形態と同様に、燃料ガスの発熱量Qが閾値αを下回ったときに、燃料供給圧と給気圧との差圧ΔPの目標値PTが第1設定値P1から第2設定値P2に変更される。ただし、本実施形態では、発熱量計8が設けられておらず、代わりに、ガスエンジン3により発電機9が駆動され、発電機9により生成された電力が電力計91により検出される。
図9に示すように、本実施形態では、第2実施形態で説明したステップS11の前に、制御装置6が、電力計91で検出される電力および燃料噴射弁4の燃料噴射量から燃料ガスの発熱量Qを算出する(ステップS21)。その後は、第2実施形態と同様の処理が行われる。
本実施形態でも、第2実施形態と同様の効果を得ることができる。なお、発電機9および電力計91の代わりに、図10に示すように、ガスエンジン3の出力トルクを検出するトルク計92が設けられ、トルク計92で検出されるガスエンジン3の出力トルクと燃料噴射量から燃料ガスの発熱量Qを算出することも可能である。
(その他の実施形態)
本発明は上述した第1〜第3実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。
本発明は上述した第1〜第3実施形態に限定されるものではなく、本発明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1実施形態と第2または第3実施形態が組み合わされてもよい。すなわち、制御装置6は、図2に示すステップS1の判定と図5および図9に示すステップS11の判定の双方を行ってもよい。
1A〜1C ガスエンジン駆動システム
3 ガスエンジン
4 燃料噴射弁
5 燃料供給ライン
51 圧力調整弁
6 制御装置
71 第1圧力計
72 第2圧力計
8 発熱量計
9 発電機
91 電力計
92 トルク計
3 ガスエンジン
4 燃料噴射弁
5 燃料供給ライン
51 圧力調整弁
6 制御装置
71 第1圧力計
72 第2圧力計
8 発熱量計
9 発電機
91 電力計
92 トルク計
Claims (7)
- ガスエンジンと、
前記ガスエンジンと接続された圧縮機およびタービンを含む過給機と、
前記ガスエンジンに設けられた燃料噴射弁と、
前記ガスエンジンの位相角を検出する位相角検出器と、
前記燃料噴射弁へ燃料ガスを導く、圧力調整弁が設けられた燃料供給ラインと、
前記圧縮機から前記ガスエンジンへ送られる給気の圧力である給気圧を検出する第1圧力計と、
前記圧力調整弁の下流側の圧力である燃料供給圧を検出する第2圧力計と、
前記位相角検出器で検出される位相角に基づいて前記燃料噴射弁を制御するとともに、前記第2圧力計で検出される燃料供給圧と前記第1圧力計で検出される給気圧との差圧が目標値となるように前記圧力調整弁を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、以下の(1)〜(3)のいずれかの方法により前記ガスエンジンの負荷が急激に上昇したと判定したときに、前記目標値を第1設定値から前記第1設定値よりも高い第2設定値に変更する、ガスエンジン駆動システム。
(1)必要燃料噴射量の上昇速度を算出し、必要燃料噴射量の上昇速度が閾値を上回れば負荷が急激に上昇したと判定し、必要燃料噴射量の上昇速度が閾値を下回れば負荷が急激に上昇していないと判定する。
(2)実回転数と目標回転数との偏差を算出し、実回転数と目標回転数との偏差が閾値を上回れば負荷が急激に上昇したと判定し、実回転数と目標回転数との偏差が閾値を下回れば負荷が急激に上昇していないと判定する。
(3)前記ガスエンジンの出力トルクをトルク計で検出するとともに出力トルクの上昇速度を算出し、出力トルクの上昇速度が閾値を上回れば負荷が急激に上昇したと判定し、出力トルクの上昇速度が閾値を下回れば負荷が急激に上昇していないと判定する。 - 前記制御装置は、前記ガスエンジンの負荷が急激に上昇したときに、前記目標値を前記第1設定値から前記第2設定値に変更し、前記ガスエンジンの負荷が急激に上昇してから所定時間経過したときに、前記目標値を前記第1設定値へ戻す、請求項1に記載のガスエンジン駆動システム。
- ガスエンジンと、
前記ガスエンジンと接続された圧縮機およびタービンを含む過給機と、
前記ガスエンジンに設けられた燃料噴射弁と、
前記燃料噴射弁へ燃料ガスを導く、圧力調整弁が設けられた燃料供給ラインと、
前記圧縮機から前記ガスエンジンへ送られる給気の圧力である給気圧を検出する第1圧力計と、
前記圧力調整弁の下流側の圧力である燃料供給圧を検出する第2圧力計と、
前記第2圧力計で検出される燃料供給圧と前記第1圧力計で検出される給気圧との差圧が目標値となるように前記圧力調整弁を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記燃料ガスの発熱量が閾値を下回ったときに、前記目標値を第1設定値から前記第1設定値よりも高い第2設定値に変更する、ガスエンジン駆動システム。 - 前記制御装置は、前記燃料ガスの発熱量が閾値を下回ったときに、前記燃料ガスの発熱量が小さくなるほど前記第2設定値が大きくなるように前記第2設定値を決定し、前記目標値を前記第1設定値から前記第2設定値に変更する、請求項3に記載のガスエンジン駆動システム。
- 前記燃料ガスの発熱量を検出する発熱量計をさらに備え、
前記制御装置は、前記発熱量計で検出される燃料ガスの発熱量が閾値を下回ったときに、前記目標値を前記第1設定値から前記第2設定値に変更する、請求項3または4に記載のガスエンジン駆動システム。 - 前記ガスエンジンにより駆動される発電機と、前記発電機により生成された電力を検出する電力計をさらに備え、
前記制御装置は、前記電力計で検出される電力および前記燃料噴射弁の燃料噴射量から燃料ガスの発熱量を算出し、算出した発熱量が閾値以下となったときに、前記目標値を前記第1設定値から前記第2設定値に変更する、請求項3または4に記載のガスエンジン駆動システム。 - 前記ガスエンジンの出力トルクを検出するトルク計をさらに備え、
前記制御装置は、前記トルク計で検出される前記ガスエンジンの出力トルクおよび前記燃料噴射弁の燃料噴射量から燃料ガスの発熱量を算出し、算出した発熱量が閾値以下となったときに、前記目標値を前記第1設定値から前記第2設定値に変更する、請求項3または4に記載のガスエンジン駆動システム。
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