JP6178825B2 - Marine propulsion system - Google Patents
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Description
本発明は、ガスエンジンを含む舶用推進システムに関する。 The present invention relates to a marine propulsion system including a gas engine.
近年、原油資源量の問題や排ガス規制の問題などから、ガスエンジンを含む舶用推進システムが開発されつつある(例えば、特許文献1参照)。ガスエンジンには、過給機(ターボチャージャ)が搭載される。 In recent years, a marine propulsion system including a gas engine has been developed due to the problem of the amount of crude oil resources and the problem of exhaust gas regulations (see, for example, Patent Document 1). The gas engine is equipped with a turbocharger.
ガスエンジンには、図5に示すように、空燃比(空気過剰率)と正味平均有効圧(BMEP)との関係でノッキング領域および失火(Misfire)領域が存在する。従って、高負荷時の運転可能範囲は、ノッキング領域と失火領域の間の狭い範囲となる。 As shown in FIG. 5, the gas engine has a knocking region and a misfire region due to the relationship between the air-fuel ratio (excess air ratio) and the net average effective pressure (BMEP). Accordingly, the operable range at high load is a narrow range between the knocking region and the misfire region.
ところで、ガスエンジンでは、空燃比以外の理由でも、失火が発生することがある(例えば、点火プラグ損耗や点火コイル異常など)。このような場合には、失火が複数のサイクル間で連続して発生する。従って、ガスエンジンのいずれかのシリンダで失火が連続して発生した場合には、そのシリンダに対応する燃料噴射弁からの燃料ガスの噴射を停止することが望ましい(いわゆる、シリンダカット)。燃料ガスが燃焼されずに排出されることを防止するためである。 By the way, in a gas engine, misfire may occur for reasons other than the air-fuel ratio (for example, spark plug wear or ignition coil abnormality). In such a case, misfire occurs continuously between a plurality of cycles. Therefore, when misfiring continuously occurs in any cylinder of the gas engine, it is desirable to stop the fuel gas injection from the fuel injection valve corresponding to the cylinder (so-called cylinder cut). This is to prevent the fuel gas from being discharged without being burned.
一方で、シリンダカットによるガスエンジンの出力の低下を抑制するためには、他のシリンダにおいて燃料ガスの噴射量を増大させることが望ましい。しかしながら、過給機の圧縮機から各シリンダに供給される空気量を増加させることができない場合に、燃料ガスの噴射量を増大させると、図5中に矢印Xで示すように運転点がノッキング領域内にシフトすることがある。しかも、連続失火が発生したシリンダでは燃料ガスが燃焼されないために、ガスエンジンから排出されて過給機のタービンに送られる排気エネルギーが減少する。このため、過給機の圧縮機からガスエンジンに供給される空気が少なくなる。従って、他のシリンダにおいては、燃料ガスの噴射量を増大させることができないだけでなく、逆に燃料ガスの噴射量を減少させる必要がある。このため、シリンダカット後には、ガスエンジンの出力が大きく落ち込むことがあり、運転継続を可能とするためには、過給機の仕様をシリンダカット時を考慮して決定する必要がある。例えば、過給機の圧縮機が通常運転時に必要な空気量よりも十分に多くの量の空気を吐出するように過給機の仕様を決定し、通常運転時は圧縮機から吐出される余分な空気を大気中に逃すことが考えられる。その場合、通常運転時の効率が低下する。 On the other hand, in order to suppress the decrease in the output of the gas engine due to the cylinder cut, it is desirable to increase the fuel gas injection amount in the other cylinders. However, if the amount of air supplied from the compressor of the supercharger to each cylinder cannot be increased, if the fuel gas injection amount is increased, the operating point is knocked as shown by arrow X in FIG. May shift into the region. In addition, since the fuel gas is not burned in the cylinder where the continuous misfire has occurred, the exhaust energy discharged from the gas engine and sent to the turbocharger turbine is reduced. For this reason, less air is supplied to the gas engine from the compressor of the supercharger. Therefore, in the other cylinders, not only the fuel gas injection amount cannot be increased, but also the fuel gas injection amount must be decreased. For this reason, the output of the gas engine may greatly drop after the cylinder is cut, and it is necessary to determine the supercharger specifications in consideration of the cylinder cut in order to continue the operation. For example, the turbocharger specifications are determined so that the compressor of the turbocharger discharges a sufficiently larger amount of air than required during normal operation, and the excess discharged from the compressor during normal operation It is conceivable to escape the air to the atmosphere. In that case, the efficiency during normal operation decreases.
そこで、本発明は、通常運転時の効率を低下させずに、シリンダカット後にガスエンジンの出力をできるだけ高く維持することができる舶用推進システムを提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a marine propulsion system that can maintain the output of a gas engine as high as possible after a cylinder cut without reducing the efficiency during normal operation.
前記課題を解決するために、本発明の舶用推進システムは、ピッチ変更機構を含む可変ピッチプロペラと、前記プロペラを回転駆動する、複数のシリンダを含むガスエンジンと、前記ガスエンジンに設けられた、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と、前記プロペラのピッチ変更機構および前記複数の燃料噴射弁を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記複数のシリンダのいずれかで失火が連続して発生した場合には、そのシリンダに対応する燃料噴射弁からの燃料ガスの噴射を停止するとともに、その他の燃料噴射弁の燃料噴射量限界値を引き下げ、前記プロペラのピッチを小さくする、ことを特徴とする。 In order to solve the above problems, a marine propulsion system according to the present invention is provided in a variable pitch propeller including a pitch changing mechanism, a gas engine including a plurality of cylinders that rotationally drives the propeller, and the gas engine. A plurality of fuel injection valves respectively corresponding to the plurality of cylinders; a control device that controls the pitch change mechanism of the propeller and the plurality of fuel injection valves; and the control device is one of the plurality of cylinders. When misfires occur continuously, the fuel gas injection from the fuel injection valve corresponding to the cylinder is stopped, the fuel injection amount limit value of the other fuel injection valves is lowered, and the pitch of the propeller is reduced. It is characterized by making it smaller.
上記の構成によれば、高負荷時には、燃料ガスの噴射量が高い状態となっているために、燃料噴射量限界値の引き下げにより、燃料ガスの噴射量が減少される。これにより、ガスエンジンの回転数は一旦落ち込むものの、可変ピッチプロペラのピッチが小さくされるので、その分だけガスエンジンの回転数が上昇する。これにより、ガスエンジンから排出される単位時間あたりの排気エネルギーが増大するため、過給機の圧縮機からガスエンジンに供給される空気を増大させることが可能である。その結果、燃料ガスの噴射量を増大させることができる。従って、シリンダカット後にガスエンジンの出力をできるだけ高く維持することができる。しかも、過給機の仕様はシリンダカット時を考慮せずに決定することができるため、通常運転時の効率を低下させることがない。 According to the above configuration, since the fuel gas injection amount is high at high loads, the fuel gas injection amount is reduced by lowering the fuel injection amount limit value. As a result, although the rotational speed of the gas engine once falls, the pitch of the variable pitch propeller is reduced, so that the rotational speed of the gas engine increases accordingly. Thereby, since the exhaust energy per unit time discharged from the gas engine increases, it is possible to increase the air supplied from the compressor of the supercharger to the gas engine. As a result, the fuel gas injection amount can be increased. Therefore, the output of the gas engine can be maintained as high as possible after the cylinder is cut. In addition, the supercharger specifications can be determined without considering the cylinder cut, so that the efficiency during normal operation is not reduced.
前記限界値は第1限界値であり、前記制御装置は、前記ガスエンジンに供給される空気の温度および圧力ならびに前記ガスエンジンの実回転数に基づいて前記複数の燃料噴射弁の燃料噴射量第2限界値を決定し、前記第1限界値と前記第2限界値のうちの小さい方を採用してもよい。この構成によれば、運転点がノッキング領域にシフトすることを確実に防止することができる。 The limit value is a first limit value, and the control device determines the fuel injection amount of the plurality of fuel injection valves based on the temperature and pressure of air supplied to the gas engine and the actual rotational speed of the gas engine. Two limit values may be determined, and the smaller one of the first limit value and the second limit value may be adopted. According to this configuration, it is possible to reliably prevent the operating point from shifting to the knocking region.
前記制御装置は、前記複数の燃料噴射弁に対し、前記ガスエンジンの実回転数を目標回転数に調整するPID制御を行うものであり、前記複数のシリンダのいずれかで失火が連続して発生した場合には、前記目標回転数を定格回転数を上限として大きくしてもよい。この構成によれば、ガスエンジンの出力をさらに高く維持することができる。 The control device performs PID control for adjusting the actual rotational speed of the gas engine to a target rotational speed for the plurality of fuel injection valves, and misfiring continuously occurs in any of the plurality of cylinders. In this case, the target rotational speed may be increased with the rated rotational speed as the upper limit. According to this configuration, the output of the gas engine can be kept higher.
例えば、上記の舶用推進システムは、前記複数のシリンダ内の圧力をそれぞれ計測する複数の圧力計をさらに備え、前記制御装置は、前記複数のシリンダのそれぞれにおいて、前記圧力計の測定結果から1サイクルごとに失火が発生した否かを判定してもよい。 For example, the marine vessel propulsion system further includes a plurality of pressure gauges that respectively measure the pressures in the plurality of cylinders, and the control device performs one cycle from the measurement result of the pressure gauges in each of the plurality of cylinders. It may be determined whether or not misfire has occurred.
各燃料噴射弁の最大燃料噴射量に対する引き下げられた前記燃料噴射量限界値の割合は、シリンダの総数をT、連続失火が発生したシリンダの数をMとしたとき、(T−M)/Tよりも10%以上小さな値であってもよい。この構成によれば、ノッキングを効果的に抑制することができる。 The ratio of the reduced fuel injection amount limit value to the maximum fuel injection amount of each fuel injection valve is (T−M) / T, where T is the total number of cylinders and M is the number of cylinders where continuous misfire has occurred. It may be a value smaller than 10%. According to this configuration, knocking can be effectively suppressed.
本発明によれば、通常運転時の効率を低下させずに、シリンダカット後にガスエンジンの出力をできるだけ高く維持することができる。 According to the present invention, the output of the gas engine can be maintained as high as possible after the cylinder is cut without reducing the efficiency during normal operation.
図1に、本発明の一実施形態に係る舶用推進システム1を示す。このシステム1は、可変ピッチプロペラ15と、このプロペラ15を回転駆動するガスエンジン2を含む。ガスエンジン2には、過給機11が搭載されている(図1では、図面を分かり易くするために、それらを離間して作図)。
FIG. 1 shows a marine propulsion system 1 according to an embodiment of the present invention. The system 1 includes a
プロペラ15は、当該プロペラ15のピッチP(すなわち、各羽根の角度)を変更するピッチ変更機構16を含む。本実施形態では、ガスエンジン2が減速機14を介してプロペラ15と連結されており、プロペラ15を直接的に回転駆動する。ただし、図示は省略するが、プロペラ15が減速機14を介して電動機と連結されるとともに、ガスエンジン2が発電機と連結されており、ガスエンジン2が、発電機および電動機を介してプロペラ15を間接的に回転駆動してもよい。
The
本実施形態では、ガスエンジン2が4ストロークエンジンである。ただし、ガスエンジン2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2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。
In the present embodiment, the
具体的に、ガスエンジン2は、図略のクランク軸の軸方向に並ぶ複数のシリンダ21を含む。シリンダ21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)。
Specifically, the
各シリンダ21内には、ピストン(図示せず)が配置されている。4ストロークエンジンの場合、各シリンダ21において、ピストンが二往復することにより、ガスエンジン2の1サイクル(給気、圧縮、膨張、排気)が行われる。各シリンダ21における1サイクルの間のガスエンジン2の位相角(0〜720度)は、位相角検出器7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7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7からは、ガスエンジン2の実回転数Nも検出される。
A piston (not shown) is arranged in each
シリンダ21は、過給機11の圧縮機12およびタービン13と給気路3および排気路4を介して接続されている。給気路3は、圧縮機12から吐出される空気をシリンダ21へ導き、排気路4は、シリンダ21から排出される排気をタービン13へ導く。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12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21とを接続する複数の支流路33を含む。排気路4は、排気マニホールド42と、シリンダ21と排気マニホールド42とを接続する複数の支流路41と、排気マニホールド42とタービン13とを接続する主流路43を含む。
The
さらに、給気路31には、給気ブローオフ路17が接続されており、この給気ブローオフ路17には流量制御弁18が設けられている。この流量制御弁18を操作することによって、各シリンダ21内へ導入される空気量を制御することができる。なお、図示は省略するが、排気路43に排気ブローオフ路を接続し、この排気ブローオフ路に設けられた流量制御弁を操作することで、各シリンダ21内へ導入される空気量を制御することも可能である。
Further, an air supply blow-
ガスエンジン2には、シリンダ21にそれぞれ対応する複数の燃料噴射弁5が設けられている。各燃料噴射弁5は、対応するシリンダ21に供給される空気中に燃料ガスを噴射する。
The
上述したプロペラ15のピッチ変更機構16および燃料噴射弁5は、例えば船速レバー(図示せず)の操作量に基づいて、制御装置6により制御される。図2に示すように、プロペラ15のピッチPが特定の値θ1のとき、ガスエンジン2の回転数と出力の関係は曲線C1を描く。各燃料噴射弁5から燃料ガスが最大噴射量Qmで噴射されたとき、ガスエンジン2のトルクが100%(出力が100%)、回転数が最大回転数Nmとなる。
The
制御装置6は、燃料噴射弁5に対し、ガスエンジン2の実回転数Nを目標回転数NTに調整するPID制御を行う。目標回転数NTは、例えば船速レバーの操作量に応じて決定される。
The control device 6 performs PID control on the
各シリンダ21には、当該シリンダ21内の圧力を計測する圧力計83が設けられている。制御装置6は、各シリンダ21において、圧力計83の測定結果から、1サイクルごとに失火が発生したか否かを判定する。例えば、制御装置6は、上死点の前後におけるシリンダ21内の圧力の偏差を算出し、この偏差が閾値未満の場合に失火が発生したと判定する。
Each
本実施形態では、上述した給気路3の主流路31に温度計81および圧力計82が設けられている。温度計81および各圧力計82は、シリンダ21に供給される空気の温度および圧力を計測する。温度計81および各圧力計82で計測された温度および圧力は、制御装置6に入力される。
In the present embodiment, a
各燃料噴射弁5には、上述した最大噴射量Qmおよび失火が連続して発生したシリンダ21の数に応じた燃料噴射量第1限界値L1と、各シリンダ21に供給される空気量に応じた燃料噴射量第2限界値L2が定められる。制御装置6は、第1限界値L1と第2限界値L2のうちの小さい方を採用する。
Each
本実施形態では、通常時(非シリンダカット時:失火が連続して発生したシリンダ21の数がゼロのとき)の第1限界値L1は、過出力を防止できるような最大噴射量Qmよりも大きな値α1に設定されている。例えば、制御装置6には、エンジン回転数に応じて限界値L1が定められたマップが予め格納される。ただし、通常時の第1限界値L1は最大噴射量Qmと等しくてもよい。
In the present embodiment, the first limit value L1 at the normal time (when the cylinder is not cut: when the number of
シリンダカット時(失火が連続して発生したシリンダ21の数が1以上のとき)の第1限界値L1は、値α1よりも十分に小さな値α2に設定されている。例えば、最大噴射量Qmに対するα2の割合(α2/Qm)は、シリンダ21の総数をT、連続失火が発生したシリンダ21の数をMとしたとき、(T−M)/Tよりも10%以上小さな値である。α2/Qmを(T−M)/Tと近い値とするとノッキングが起きやすくなるが、α2/Qmを(T−M)/Tよりも10%以上小さな値とするとノッキングを効果的に抑制できることが実験により確認された。例えば、T=6、M=1のとき、(T−M)/Tは約83%であるが、α2/Qmは約60%である。
The first limit value L1 at the time of cylinder cut (when the number of
第2限界値L2の根拠となる各シリンダ21に供給される空気量は、ガスエンジン2に供給される空気の温度および圧力ならびにガスエンジン2の実回転数Nから求められる。従って、制御装置6は、温度計81および圧力計82で計測される温度および圧力ならびに位相角検出器7で検出される実回転数Nに基づいて燃料噴射弁5の第2限界値L2を決定する。
The amount of air supplied to each
制御装置6は、シリンダ21のいずれかで失火が複数のサイクル(例えば、4サイクル)間で連続して発生した場合には、そのシリンダ21に対応する燃料噴射弁5からの燃料ガスの噴射を停止するとともに、その他の燃料噴射弁5の燃料噴射量第1限界値L1を引き下げる。
When misfire occurs continuously in a plurality of cycles (for example, four cycles) in any of the
例えば、失火が連続して発生する前は、運転状態が図2中の点Aで示すような高負荷時であり、各燃料噴射弁5から噴射量Qcで燃料ガスが噴射されていると仮定する。このとき、図4に示すように、第1限界値L1は最大噴射量Qmよりも大きなα1である。制御装置6は、シリンダ21のいずれかで失火が連続して発生したときに、第1限界値L1をα1からα2に引き下げる。
For example, it is assumed that before misfiring continuously occurs, the operating state is at a high load as indicated by a point A in FIG. 2 and fuel gas is injected from each
高負荷時には、燃料ガスの噴射量が高い状態となっているために、図4に示すように、第1限界値L1の引き下げにより、燃料ガスの噴射量が減少される。これにより、図2に示すように、運転状態が曲線C1に沿って点Aから点Bに推移し、ガスエンジン2の回転数が一旦落ち込む。また、失火が連続して発生した場合には、ガスエンジン2から排出される排気エネルギーが減少し、シリンダ21に供給される空気量が減少する。その結果、図4に示すように、燃料ガスの噴射量は、第2限界値L2により規制されて、第1限界値L1よりも大幅に少なくなる。
Since the fuel gas injection amount is high at the time of high load, the fuel gas injection amount is reduced by lowering the first limit value L1, as shown in FIG. As a result, as shown in FIG. 2, the operating state changes from the point A to the point B along the curve C1, and the rotational speed of the
これに対し、制御装置6は、失火が連続して発生したときには、プロペラ15のピッチPを小さくする(θ1→θ2)。例えば、θ2は、θ1の60〜80%である。これにより、運転状態は、図2に示すように、曲線C1よりも下の曲線C2上の点Cにシフトし、プロペラ15のピッチPが小さくされた分だけガスエンジン2の回転数が上昇する。これにより、ガスエンジン2から排出される単位時間あたりの排気エネルギーが増大するため、過給機11の圧縮機12からガスエンジン2に供給される空気を増大させることが可能である。その結果、図4に示すように、燃料ガスの噴射量を増大させることができ、第1限界値L1(α2)に近づけることができる。その後は、第1限界値L1(α2)により定まるトルク線に沿って、運転状態が点Dまで推移し、実回転数Nが目標回転数NTとなる。
On the other hand, the control device 6 reduces the pitch P of the propeller 15 (θ1 → θ2) when misfires occur continuously. For example, θ2 is 60 to 80% of θ1. As a result, the operating state is shifted to a point C on the curve C2 below the curve C1, as shown in FIG. 2, and the rotational speed of the
以上説明したように、本実施形態の舶用推進システム1では、図2中に点Dで示すように、シリンダカット後にガスエンジン2の出力をできるだけ高く維持することができる。しかも、過給機11の仕様はシリンダカット時を考慮せずに決定することができるため、通常運転時の効率を低下させることがない。
As described above, in the marine propulsion system 1 of the present embodiment, as indicated by a point D in FIG. 2, the output of the
ところで、シリンダ21のいずれかで失火が連続して発生した場合に、第1限界値L1が瞬時に引き下げられずに、第2限界値L2のみに基づいて制御が行われると、シリンダ21へ供給される空気量の低下の検知はタイムラグによって遅れるので、ノッキングが発生してしまう。これに対し、本実施形態では、第1限界値L1が瞬時に引き下げられるので、ノッキングを防止することができる。
By the way, when misfiring continuously occurs in any of the
また、本実施形態では、第1限界値L1と第2限界値L2の小さい方が採用されるので、運転点がノッキング領域にシフトすることを確実に防止することができる。 In the present embodiment, since the smaller one of the first limit value L1 and the second limit value L2 is adopted, it is possible to reliably prevent the operating point from shifting to the knocking region.
ところで、制御装置6は、シリンダ21のいずれかで失火が連続して発生した場合には、目標回転数NTを定格回転数を上限として大きくすることが望ましい。この構成によれば、ガスエンジン2の出力をさらに高く維持することができる。
By the way, when the misfire continuously occurs in any of the
(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。
(Modification)
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.
1 舶用推進システム
15 可変ピッチプロペラ
16 ピッチ変更機構
2 ガスエンジン
21 シリンダ
5 燃料噴射弁
6 制御装置
82,83 圧力計
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (4)
前記プロペラを回転駆動する、複数のシリンダを含むガスエンジンと、
前記ガスエンジンに設けられた、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と、
前記プロペラのピッチ変更機構および前記複数の燃料噴射弁を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記複数のシリンダのいずれかで失火が連続して発生した場合には、そのシリンダに対応する燃料噴射弁からの燃料ガスの噴射を停止するとともに、その他の燃料噴射弁の燃料噴射量限界値を引き下げ、前記プロペラのピッチを小さくし、かつ、
失火が連続して発生したシリンダの数に応じて前記燃料噴射量限界値である燃料噴射量第1限界値を決定するとともに、前記ガスエンジンに供給される空気の圧力に基づいて前記複数の燃料噴射弁の燃料噴射量第2限界値を決定し、前記第1限界値と前記第2限界値のうちの小さい方を採用する、舶用推進システム。 A variable pitch propeller including a pitch changing mechanism;
A gas engine including a plurality of cylinders for rotationally driving the propeller;
A plurality of fuel injection valves respectively provided in the gas engine and corresponding to the plurality of cylinders;
A control device for controlling the pitch change mechanism of the propeller and the plurality of fuel injection valves,
When misfiring continuously occurs in any of the plurality of cylinders, the control device stops the fuel gas injection from the fuel injection valve corresponding to the cylinder and the fuel of the other fuel injection valves. Lower the injection amount limit value, reduce the pitch of the propeller , and
The fuel injection amount first limit value, which is the fuel injection amount limit value, is determined according to the number of cylinders in which misfires have occurred continuously, and the plurality of fuels are based on the pressure of air supplied to the gas engine. A marine propulsion system that determines a fuel injection amount second limit value of an injection valve and employs the smaller one of the first limit value and the second limit value .
前記制御装置は、前記複数のシリンダのそれぞれにおいて、前記圧力計の測定結果から1サイクルごとに失火が発生した否かを判定する、請求項1または2に記載の舶用推進システム。 A plurality of pressure gauges for measuring the pressure in each of the plurality of cylinders;
3. The marine propulsion system according to claim 1, wherein the control device determines whether or not misfiring has occurred in each cycle based on a measurement result of the pressure gauge in each of the plurality of cylinders.
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