JP6148600B2

JP6148600B2 - ガスエンジン

Info

Publication number: JP6148600B2
Application number: JP2013223754A
Authority: JP
Inventors: 良一萩原; 修山岸
Original assignee: Yanmar Co Ltd; Japan Ship Machinery and Equipment Association JSMEA
Current assignee: Yanmar Co Ltd; Japan Ship Machinery and Equipment Association JSMEA
Priority date: 2013-10-28
Filing date: 2013-10-28
Publication date: 2017-06-14
Anticipated expiration: 2033-10-28
Also published as: JP2015086733A

Description

本発明は、ガスエンジンの技術に関する。

ガスエンジンは、空気と燃料ガスの混合気を燃料として駆動するエンジンとして公知である。ガスエンジンでは、ガスインジェクタによって供給される燃料ガスと、スロットル弁を制御して給気流入量が調整される空気との混合気が、燃焼室に供給される（例えば、特許文献１）。

ガスエンジンでは、低負荷から高負荷に負荷投入された直後では、ガスインジェクタによって燃料ガスが増加されるタイミングと、スロットル弁のスロットル開度が増加して給気流入量が増加するタイミングとにおいてタイムラグが発生する。

具体的には、負荷投入された直後では、ガスインジェクタによる燃料ガスの増加に対して、スロットル弁による給気流入量の増加が追い付かず、混合気が理論空燃比よりも濃い状態（リッチ）となり、失火のおそれがある。そのため、ガスエンジンでは、負荷投入限界（エンジン定格負荷に対する投入できる負荷の割合）が低く設定されている。

一方、負荷投入限界を高く設定するために、低負荷時から給気流入量を多くするように制御した場合には、混合気が理論空燃比よりも薄い状態（リーン）となって、炭化水素の排出量が多くなる。そこで、ガスエンジンでは、低負荷時の炭化水素の排出を低減させつつも、負荷投入限界を増加することができることが望まれている。

特開２０１３−７６３５７号公報

本発明の解決しようとする課題は、低負荷時の炭化水素の排出を低減させ、かつ、負荷投入限界を増加することができるガスエンジンを提供することである。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

請求項１においては、スロットル弁で給気流入量を調整し、前記スロットル弁のスロットル開度を制御する制御手段を備えるガスエンジンであって、前記制御手段は、負荷投入指令を受信し、かつ、所定負荷以下で運転しており、かつ、投入された負荷が所定負荷投入率以上である場合には、燃料ガスを噴射する前にスロットル開度を増加させるものである。

本発明のガスエンジンによれば、低負荷時の炭化水素の排出を低減させ、かつ、負荷投入限界を増加することができる。

ガスエンジンの構成を示した模式図。第一スロットル開度制御の流れを示すフロー図。同じくタイムチャート図。第二スロットル開度制御の流れを示すフロー図。同じくタイムチャート図。同じくコンプレッサ性能曲線図。電気推進船の構成を示した模式図。

図１を用いて、ガスエンジン１００の構成について説明する。なお、図１では、ガスエンジン１００の構成を模式的に表している。

ガスエンジン１００は、本発明のガスエンジンに係る実施形態である。ガスエンジン１００は、空気と燃料ガスの混合気を燃料として駆動するエンジンである。

ガスエンジン１００は、エンジン本体１０と、給気系統２０と、排気系統３０と、制御手段としてのＥＣＵ（ＥｎｇｉｎｅＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）５０と、を具備している。

エンジン本体１０は、６つの気筒１１・・・・１１を具備している。気筒１１・・・・１１は、給気マニホールド２１と給気ポート２２・・・・２２によって連通され、排気マニホールド３１と排気ポート３２・・・・３２によって連通されている。給気ポート２２・・・・２２には、ガスインジェクタ４２・・・・４２が設けられている。

給気系統２０は、給気マニホールド２１と、インタークーラ２３と、スロットル弁２４と、コンプレッサ２５と、を具備している。給気系統２０では、給気マニホールド２１から空気の流れの上流側に向かって、インタークーラ２３と、スロットル弁２４と、コンプレッサ２５と、が順に配置されている。また、インタークーラ２３の下流側には、給気マニホールド圧力Ｐｉを検知する給気マニホールド圧力センサ５４が設けられている。

排気系統３０は、排気マニホールド３１と、タービン３３と、を具備している。排気系統３０では、排気マニホールド３１から空気の流れの下流側に向かって、タービン３３が配置されている。

ＥＣＵ５０は、スロットル弁２４と、ガスインジェクタ４２・・・・４２と、エンジン回転数Ｎｅを検知するエンジン回転数センサ５１と、エンジン負荷Ａｃを検知するエンジン負荷センサ５２と、潤滑油温度Ｔｊを検知する潤滑油温度センサ５３と、給気マニホールド圧力Ｐｉを検知する給気マニホールド圧力センサ５４と、負荷投入を指令するアクセルレバー５５と、に接続されている。

ＥＣＵ５０は、給気マニホールド圧力Ｐｉが目標給気マニホールド圧力Ｐｉｍとなるように、スロットル弁２４を制御し、スロットル開度Ｄを増加または減少させる機能を有している。

図２を用いて、第一スロットル開度制御Ｓ１００の流れについて説明する。なお、図２では、第一スロットル開度制御Ｓ１００の流れをフローチャートによって表している。

第一スロットル開度制御Ｓ１００は、ガスエンジン１００が低負荷で運転している状態から高負荷に運転する状態になった場合において、スロットル弁２４のスロットル開度Ｄを増加させる制御である。

ステップＳ１１０において、ＥＣＵ５０は、現在、ガスエンジン１００が所定負荷Ａｃ１以下で運転しており、かつ、アクセルレバー５５より負荷投入指令を受信し、かつ、アクセルレバー５５より指令された負荷投入が所定負荷投入率ｒＡｃ１以上であるかを確認する。なお、負荷投入率ｒＡｃとは、エンジン定格付加に対する投入された負荷の割合である。また、所定負荷Ａｃ１及び所定負荷投入率ｒＡｃ１は、予めＥＣＵ５０に記憶されている。

ステップＳ１１０において、ＥＣＵ５０は、上記条件が成立すれば、ステップＳ１２０に移行する。一方、上記条件が成立しなければ、第一スロットル開度制御Ｓ１００を終了する。

ステップＳ１２０において、ＥＣＵ５０は、スロットル弁２４によってスロットル開度Ｄを所定開度ΔＤだけ増加させる。なお、所定開度ΔＤは、エンジン回転数Ｎｅと、負荷投入率ｒＡｃとによって決定されるものであって、予めＥＣＵ５０に記憶されている。

ステップＳ１３０において、ＥＣＵ５０は、給気マニホールド圧力Ｐｉが目標給気マニホールド圧力Ｐｉｍ以上となったかどうか判断する。給気マニホールド圧力Ｐｉが目標給気マニホールド圧力Ｐｉｍ以上となった場合には、ステップＳ１４０に移行する。

なお、ステップＳ１３０の制御の代わりに、スロットル弁２４を所定開度ΔＤだけ増加させて、ステップＳ１４０に移行するまで所定時間だけ待機させる制御であっても良い。

ステップＳ１４０において、ＥＣＵ５０は、ガスインジェクタ４２・・・・４２によって気筒１１・・・・１１に燃料ガスの噴射量をさせる。実際には、負荷が投入されて、エンジン回転数Ｎｅが低下することにより燃料ガスの噴射量が増加する。

図３を用いて、第一スロットル開度制御Ｓ１００の作用について説明する。なお、図３では、第一スロットル開度制御Ｓ１００の作用をタイムチャートによって表している。また、図３では、負荷投入指令をＯＮ又はＯＦＦによって表し、スロットル開度Ｄを全開に対する割合（％）によって表し、燃料噴射量Ｑを噴射時間（ｄｅｇ）によって表している。

第一スロットル開度制御Ｓ１００を時系列に沿って説明すると、まず、アクセルレバー５５より負荷投入指令があり、次に、スロットル弁２４によってスロットル開度Ｄが所定開度ΔＤだけ増加され、次に、給気マニホールド圧力Ｐｉが目標給気マニホールド圧力Ｐｉｍに到達し、次に、ガスインジェクタ４２・・・・４２によって気筒１１・・・・１１に燃料ガスの噴射量が増加される。

第一スロットル開度制御Ｓ１００の効果について説明する。第一スロットル開度制御Ｓ１００によれば、低負荷時の炭化水素の排出を低減させ、かつ、負荷投入限界を増加することができる。

従来、ガスエンジンでは、低負荷から高負荷に負荷投入された場合には、ガスインジェクタによる燃料ガスの増加に対して、スロットル弁による給気流入量の増加が追い付かず、リッチ状態となり、失火のおそれがあった。そのため、負荷投入限界（エンジン定格付加に対する投入できる負荷の割合）を低く設定されていた。

一方、負荷投入限界を高く設定するために、低負荷時から給気流入量を多くするように制御した場合には、リーン状態となって、炭化水素の排出量が多くなっていた。

第一スロットル開度制御Ｓ１００では、低負荷から高負荷に負荷投入された場合には、ガスインジェクタ４２・・・・４２による燃料ガスの増加の前に、スロットル弁２４による給気流入量の増加を行い、負荷投入限界を増加することができる。また、低負荷時から給気流入量を多くするように制御する必要もなく、低負荷時の炭化水素の排出を低減させることができる。

図４を用いて、第二スロットル開度制御Ｓ２００の流れについて説明する。なお、図４では、第二スロットル開度制御Ｓ２００の流れをフローチャートによって表している。

第二スロットル開度制御Ｓ２００は、ガスエンジン１００が高負荷で運転している状態から低負荷に運転する状態になった場合において、スロットル弁２４のスロットル開度Ｄを減少させる制御である。

ステップＳ２１０において、ＥＣＵ５０は、例えば、アクセルレバー５５によって負荷が軽減され、スロットル弁２４のスロットル開度Ｄを減少させる指令を受信したものとする。

ステップＳ２２０において、ＥＣＵ５０は、スロットル弁２４によってスロットル開度Ｄを目標スロットル開度Ｄｍに向けて段階的に減少させる。ここで、スロットル開度Ｄを段階的に減少させるとは、スロットル開度Ｄを１０％／ｓの速度でスロットル開度Ｄを減少させるものとする。なお、１０％／ｓの速度とは、１秒間に全開を１００％としたとき１０％の開度だけスロットル開度Ｄを減少させる速さとする。

ステップＳ２３０において、ＥＣＵ５０は、給気マニホールド圧力Ｐｉが所定圧力値Ｐｉ１まで低下したかどうかを確認する。なお、所定圧力値Ｐｉ１は、予めＥＣＵ５０に記憶されている。ＥＣＵ５０は、上記条件が成立すれば、第二スロットル開度制御Ｓ２００を終了する。一方、上記条件が成立しなければ、再度ステップＳ２２０に移行する。

図５を用いて、第二スロットル開度制御Ｓ２００の作用について説明する。なお、図５では、第二スロットル開度制御Ｓ２００の作用をタイムチャートによって表している。また、図５では、エンジン負荷Ａｃをエンジン定格負荷に対する割合（％）によって表し、スロットル開度Ｄを全開に対する割合（％）によって表し、給気マニホールド圧力Ｐｉを圧力値（ＭＰａ）によって表している。

第二スロットル開度制御Ｓ２００を時系列に沿って説明すると、まず、スロットル弁２４のスロットル開度Ｄを減少させる指令があり、次に、給気マニホールド圧力Ｐｉが所定圧力値Ｐｉ１まで、スロットル弁２４によってスロットル開度Ｄが段階的に減少される。

図６を用いて、第二スロットル開度制御Ｓ２００の作用について説明する。なお、図６では、第二スロットル開度制御Ｓ２００の作用をコンプレッサ性能曲線によって表している。また、図６では、横軸をコンプレッサ２５の通過流量（ｍ３／ｓ）によって表し、縦軸をコンプレッサ圧縮比（コンプレッサ２５の入口圧力に対する出口圧力）によって表している。

ステップＳ２１０では、ガスエンジン１００が高負荷で運転しているため、コンプレッサ２５の通過流量及びコンプレッサ圧縮比は比較的高く、サージングライン（グラフ領域の左端側）に近い位置にある。

ステップＳ２２０では、スロットル弁２４によってスロットル開度Ｄが目標スロットル開度Ｄｍに向けて段階的に減少するため、コンプレッサ通過流量が段階的に減少する（図６中の実線矢印）。このとき、コンプレッサ通過流量が急激に減少し、サージングラインに到達し、サージングが発生することはない（図６中の破線矢印）。

ステップＳ２３０及びステップ２４０では、給気マニホールド圧力Ｐｉが所定圧力値Ｐｉ１まで低下したので、スロットル弁２４によってスロットル開度Ｄが目標スロットル開度Ｄｍまで直ちに減少するため、コンプレッサ通過流量が急激に減少する（図６中の実線矢印）。しかし、サージングラインからは十分に離間しているため、サージングラインに到達し、サージングが発生することはない（図６中の実線矢印）。

第二スロットル開度制御Ｓ２００の効果について説明する。第二スロットル開度制御Ｓ２００によれば、コンプレッサ２５のサージングを防止することができる。

サージングは、エンジン負荷が高負荷から急に低負荷になり、スロットル弁２４のスロットル開度Ｄが急激に減少され、コンプレッサ２５の通過流量が急激に減少したときに発生しやすい。そのため、第二スロットル開度制御Ｓ２００では、スロットル弁２４によってスロットル開度Ｄを目標スロットル開度Ｄｍに向けて段階的に減少させることによって、コンプレッサ２５のサージングを防止することができる。

図７を用いて、電気推進船２００の構成について説明する。なお、図７では、電気推進船２００の構成を模式的に表している。

電気推進船２００は、本実施形態のガスエンジン１００を搭載している。電気推進船２００は、ＬＮＧタンク２０１と、気化器２０２と、ガスエンジン１００と、発電機２０３と、電力コントロール盤２０４と、推進モータ２０５と、減速機２０６と、可変ピッチプロペラ２０７と、を備えている。

電気推進船２００では、ＬＮＧタンク２０１・２０１に貯溜された燃料ガスが気化器２０２・２０２によって空気と混合され、ガスエンジン１００・１００・１００に供給される。そして、ガスエンジン１００・１００・１００によって発電機２０３・２０３・２０３が駆動され、電力コントロール盤２０４によって、推進モータ２０５・２０５及び船内負荷に電力が供給される。推進モータ２０５・２０５の駆動は減速機２０６・２０６を介して可変ピッチプロペラ２０７・２０７に伝達される。

１０エンジン本体
２１給気マニホールド
２４スロットル弁
２５コンプレッサ
５０ＥＣＵ（制御手段）
５１エンジン回転数センサ
５２エンジン負荷センサ
５３潤滑油温度センサ
５４給気マニホールド圧力センサ
５５アクセルレバー
１００ガスエンジン

Claims

スロットル弁で給気流入量を調整し、前記スロットル弁のスロットル開度を制御する制御手段を備えるガスエンジンであって、
前記制御手段は、
負荷投入指令を受信し、かつ、所定負荷以下で運転しており、かつ、投入された負荷が所定負荷投入率以上である場合には、燃料ガスを噴射する前にスロットル開度を増加させる
ガスエンジン。