JP6130901B1 - ガスエンジンシステム - Google Patents

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Abstract

【課題】アイドリング時に混合気がリーンになり過ぎることを防止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は、複数のシリンダを含むガスエンジンと、給気路により複数のシリンダと接続された圧縮機および排気路により複数のシリンダと接続されたタービンを含む過給機と、給気路に設けられたスロットル弁と、スロットル弁を制御する制御装置と、を備え、制御装置は、アイドリング条件を満たすか否かを判定し、アイドリング条件を満たすときは、複数のシリンダへ供給される空気が負圧となるようにスロットル弁を制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、ガスエンジンを含むガスエンジンシステムに関する。
一般的に、オットーサイクル方式のガスエンジンはリーンバーンで運転される。また、ガスエンジンは、過給機と共に用いられることがある。例えば、特許文献１には、図３に示すような過給機１２０およびガスエンジン１１０を含むガスエンジンシステム１００が開示されている。
具体的に、ガスエンジン１１０の複数のシリンダ１１１は、給気路１０１により過給機１２０の圧縮機１２１と接続されているとともに、排気路１０２により過給機１２０のタービン１２２と接続されている。また、給気路１０１には、スロットル弁１３０が設けられている。給気路１０１からは、スロットル弁１３０の下流側で循環路１４０が分岐しており、この循環路１４０は、圧縮機１２１へ空気を導く吸入路１６０につながっている。循環路１４０には、循環弁１５０が設けられている。
ガスエンジンシステム１００では、エンジン負荷が低負荷域にあるときにスロットル弁１３０に対して開度制御が実行され、エンジン負荷が中高負荷域にあるときにスロットル弁１３０が所定開度とされるとともに循環弁１５０に対して開度制御が実行される。
特開２０１５−１６１２０１号公報
上述した「低負荷域」および「中高負荷域」は、ガスエンジンが何らかの仕事をしている際の状態を指すものと考えられる。ところで、ガスエンジンが何も仕事をしないアイドリング時（例えば、ガスエンジンの出力軸と被駆動体との間に介在するクラッチがオフとされるとき）には、過給機が殆ど機能せず、ガスエンジンへの給気圧がほぼ大気圧となる。しかしながら、本発明の発明者は、鋭意研究の結果、アイドリング時に給気圧がほぼ大気圧となると、燃料ガスと空気との混合気がリーンになり過ぎることを発見した。混合気がリーンになりすぎると、燃焼が不安定となり、未燃の燃料ガスが排出されることになる。
そこで、本発明は、アイドリング時に混合気がリーンになり過ぎることを防止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。
前記課題を解決するために、本発明のガスエンジンシステムは、複数のシリンダを含むガスエンジンと、給気路により前記複数のシリンダと接続された圧縮機および排気路により前記複数のシリンダと接続されたタービンを含む過給機と、前記給気路に設けられたスロットル弁と、前記スロットル弁を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、アイドリング条件を満たすか否かを判定し、前記アイドリング条件を満たすときは、前記複数のシリンダへ供給される空気が負圧となるように前記スロットル弁を制御する、ことを特徴とする。
上記の構成によれば、アイドリング条件を満たすときは（つまり、アイドリング時）、ガスエンジンへの給気圧が負圧となる。これにより、各シリンダ内に導入される空気の量が少なくなる。従って、アイドリング時に混合気がリーンになり過ぎることを防止することができる。
上記のガスエンジンシステムは、前記給気路から分岐する分岐路に設けられた、前記制御装置により制御されるブリード弁をさらに備え、前記制御装置は、前記アイドリング条件を満たすときは、前記ブリード弁を全閉としてもよい。この構成によれば、通常運転時にはブリード弁を使用して給気圧を調整することができるとともに、アイドリング時には分岐路を通じて負圧の給気路に空気が流入することを防止することができる。
上記のガスエンジンシステムは、前記給気路に設けられたエアクーラをさらに備え、前記分岐路は、前記エアクーラの下流側で前記給気路から分岐し、前記給気路に流れる給気の一部を大気中に開放してもよい。この構成によれば、低温となった給気の一部を大気中に開放することができる。
本発明によれば、アイドリング時に混合気がリーンになり過ぎることを防止することができる。
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。 変形例のガスエンジンシステムの概略構成図である。 従来のガスエンジンシステムの概略構成図である。
図１に、本発明の一実施形態に係るガスエンジンシステム１Ａを示す。このシステム１Ａは、ガスエンジン４、過給機２および制御装置７を含む。
ガスエンジン４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４が４ストロークエンジンであるが、ガスエンジン４は２ストロークエンジンであってもよい。
例えば、ガスエンジン４は、船舶の主機として用いられる。この場合、ガスエンジン４が直接的にスクリュープロペラを回転駆動してもよいし、発電機およびモータを介してスクリュープロペラを回転駆動してもよい。あるいは、ガスエンジン４は、地上の発電設備に組み込まれてもよい。
ガスエンジン４は、複数のシリンダ４１を含む。シリンダ４１の数は、例えば５〜１８である（図１では、図面の簡略化のために３つのみを図示）。ガスエンジン４には、シリンダ４１にそれぞれ対応する複数の燃料噴射弁４２が設けられている。各燃料噴射弁４２は、対応するシリンダ４１へ供給される空気中に燃料ガスを噴射し、燃料ガスと空気の混合気を生成する。
過給機２は、圧縮機２１とタービン２２を含む。圧縮機２１は、給気路３によりシリンダ４１と接続されており、タービン２２は、排気路５によりシリンダ４１と接続されている。また、圧縮機２１へは吸入路１１を通じてシステム外から空気が導かれ、タービン２２からは排出路１２を通じて排気がシステム外へ導かれる。
より詳しくは、給気路３は、給気マニホールド３２と、給気マニホールド３２と圧縮機２１とを接続する主流路３１と、給気マニホールド３２とシリンダ４１とを接続する複数の支流路３３を含む。排気路５は、排気マニホールド５２と、シリンダ４１と排気マニホールド５２とを接続する複数の支流路５１と、排気マニホールド５２とタービン２２とを接続する主流路５３を含む。
給気路３の主流路３１には、上流側から順に、スロットル弁３４およびエアクーラ３５が設けられている。また、主流路３１には、ガスエンジン４への給気圧（シリンダ４１へ供給される空気の圧力）を検出する圧力センサ７１が設けられている。圧力センサ７１は、後述する分岐路６の分岐点よりも下流側に位置している。
さらに、給気路３の主流路３１からは、分岐路６が分岐している。本実施形態では、分岐路６が、エアクーラ３５の下流側で主流路３１から分岐している。分岐路６の先端（下流端）は、大気中に開口している。つまり、分岐路６は、給気路３の主流路３１に流れる給気の一部を大気中に開放する。分岐路６には、ブリード弁６１が設けられている。
上述した燃料噴射弁４２、スロットル弁３４およびブリード弁６１は、制御装置７により制御される。燃料噴射弁４２の制御に関し、制御装置７は、ガスエンジン４のクランク角に基づいて、所定のタイミングで各燃料噴射弁４２からの燃料ガスの噴射を開始したり終了したりする。
スロットル弁３４およびブリード弁６１の制御に関し、制御装置７は、まず、アイドリング条件を満たすか否かを判断する。アイドリング条件は、例えば、以下の条件（Ａ）および（Ｂ）の少なくとも１つである。
（Ａ）全ての燃料噴射弁４２へ燃料ガスを導く燃料ガス供給路（図示せず）の流量が所定流量よりも小さい。
（Ｂ）ガスエンジン４の出力軸に設けられたトルク計で検出されるトルクが所定トルクよりも小さい。
もしガスエンジン４が発電機と連結される場合は、発電機で生成される電力からガスエンジン４の実出力を算出することが可能である。従って、この場合は、上記の条件（Ｂ）に代えて、以下の条件（Ｃ）が採用されてもよい。
（Ｃ）発電機で生成される電力から算出されるガスエンジン４の実出力が所定出力よりも小さい。
アイドリング条件を満たさないとき、換言すれば通常運転時、制御装置７は、スロットル弁３４を全開とする。ただし、通常運転時のスロットル弁３４の開度は、必ずしも１００％とされる必要はなく、１００％よりも小さな所定開度に維持されてもよい。一方、制御装置７は、圧力センサ７１で検出される給気圧がガスエンジン４の要求圧力となるように、ブリード弁６１を制御する。
逆に、アイドリング条件を満たしたとき、換言すればアイドリング時、制御装置７は、ブリード弁６１を全閉とした上で、シリンダ４１へ供給される空気が負圧となるようにスロットル弁３４を制御する。例えば、制御装置７は、スロットル弁３４の開度を、予め設定した、シリンダ４１へ供給される空気が負圧となる開度に変更する。
上述したような制御では、アイドリング条件を満たすときは（つまり、アイドリング時）、ガスエンジン４への給気圧が負圧となる。これにより、各シリンダ４１内に導入される空気の量が少なくなる。従って、アイドリング時に混合気がリーンになり過ぎることを防止することができる。
（変形例）
本発明は上述した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、図２に示す変形例のガスエンジンシステム１Ｂのように、分岐路６の先端（下流端）は、吸入路１１につながっていてもよい。この場合、分岐路６は、エアクーラ３５の上流側で給気路３の主流路３１から分岐していてもよい。ただし、前記実施形態のように、分岐路６がエアクーラ３５の下流側で給気路３の主流路３１から分岐するとともに分岐路６の先端が大気中に開口していれば、低温となった給気の一部を大気中に開放することができる。しかも、分岐路６がエアクーラ３５の上流側で給気路３の主流路３１から分岐している場合には、ブリード弁６１として圧縮機２１の高温の吐出温度（例えば、２００℃）に耐え得る弁を用いる必要があるが、分岐路６がエアクーラ３５の下流側で給気路３の主流路３１から分岐していれば、ブリード弁６１として安価な弁を用いることができる。
あるいは、分岐路６は設けられていなくてもよい。ただし、前記実施形態のようにブリード弁６１付の分岐路６が設けられていれば、通常運転時にはブリード弁６１を使用して給気圧を調整することができる。しかも、前記実施形態では、アイドリング時にブリード弁６１が全閉とされるので、アイドリング時に分岐路６を通じて負圧の給気路３に空気が流入することを防止することができる。
１Ａ，１Ｂ ガスエンジンシステム
２ 過給機
２１ 圧縮機
２２ タービン
３ 給気路
３４ スロットル弁
３５ エアクーラ
４ ガスエンジン
４１ シリンダ
５ 排気路
６ 分岐路
６１ ブリード弁
７ 制御装置

Claims (3)

  1. 複数のシリンダおよび前記複数のシリンダにそれぞれ対応する複数の燃料噴射弁を含むガスエンジンと、
    給気路により前記複数のシリンダと接続された圧縮機および排気路により前記複数のシリンダと接続されたタービンを含む過給機と、
    前記給気路に設けられたスロットル弁と、
    前記給気路から分岐する分岐路に設けられたブリード弁と、
    前記スロットル弁および前記ブリード弁を制御する制御装置と、を備え、
    前記制御装置は、アイドリング条件を満たすか否かを判定し、前記アイドリング条件を満たすときは、前記ブリード弁を全閉とするとともに前記複数のシリンダへ供給される空気の圧力である給気圧が負圧となるように前記スロットル弁を制御し、前記アイドリング条件を満たさないときは、前記スロットル弁を所定開度に維持するとともに前記給気圧が目標圧力となるように前記ブリード弁を制御する、ガスエンジンシステム。
  2. 前記分岐路は、前記複数の燃料噴射弁よりも上流側で前記給気路から分岐する、請求項１に記載のガスエンジンシステム。
  3. 前記給気路に設けられたエアクーラをさらに備え、
    前記分岐路は、前記エアクーラの下流側で前記給気路から分岐し、前記給気路に流れる給気の一部を大気中に開放する、請求項１または２に記載のガスエンジンシステム。
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