JP6334596B2 - 燃料ガス噴射圧力を制御する内燃エンジン - Google Patents
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Description
の関心が高まっており、そのため、従来の燃料オイルの代替燃料が研究されてきた。MA
Nディーゼル12K80MC−GI−Sなど、大型の2サイクルディーゼルエンジンの運
転は、一次燃料としての燃料ガスを用いた運転が、従来の燃料オイルと比較して、排出に
関して安全で信頼でき環境的に望ましい可能性があることを示してきた。船舶市場向けの
大型の2サイクルディーゼルエンジンに関しては、特に、ガスタンクからのボイルオフガ
スを輸送中に処理しなければならない液化天然ガス輸送船(LNG輸送船)にとっては、
燃料ガスを用いるエンジンに対する関心が益々高くなっている。
を達成するこの方法は、燃焼室における最大燃焼圧力が最適な動作点より低くなってしま
うため、より低効率となってしまう。同様に、燃料ガスのエネルギー密度が、基準燃料ガ
スより大きい場合には、最大燃焼圧力はエンジンが設計された最大燃焼圧力より高くなっ
てしまい、エンジンの摩耗を増加させ、また、損傷の可能性を高めることになる。
内に噴射されるエネルギーの密度とエネルギーの量とに影響を与える。
ンを運転するためのシステムが開示されている。電子制御部は、エンジンシステムに接続
されており、燃料ガス温度や燃料ガス圧力などの、エンジンシステムの運転特性に基づい
て、エンジンへ送出される複数の燃料の各々の量を制御する。
の効率を最適化することが望まれる。
のとれたエンジンは、維持費を大きく削減し、エンジンの損傷の危険性を減らす可能性が
ある。
制御部は、燃料ガスの熱量値および/または温度の変化に応じて、燃焼室への燃料ガスの
噴射圧力を制御する。
、センサ装置による測定から決定される。
転速度との、センサ装置による測定から決定される。
射圧力は、最適な燃料消費および燃焼ガス排出を得るために、クランクシャフトの位置に
応じて、噴射タイミングの調整と、排気弁を開閉するタイミングの調整との組合せにより
調整される。
を噴射する燃料オイル噴射器と、燃料オイル供給システムとが設けられる。
給システムである。
℃の範囲にある。これは、ガス供給配管での凝縮を防止する。
から250rpmまでの範囲にある。低速度のエンジンは、典型的には非常に大きな出力
のエンジンであり、燃焼圧力の点においてエンジンを効率的に運転するのが実際には問題
である。
液化天然ガス輸送船の液化天然ガスタンクに連結されている。
説明する。
ルクロスヘッドディーゼルエンジンであってもよい。このようなエンジン1は、例えば、
MAN Diesel製造の型式MCもしくはME、Wartsila製造の型式Sul
zer RT−flexもしくはSulzer RTA、または三菱重工業製造のものと
することができる。この型式のエンジンは、船舶の主エンジンとして、または、発電所の
定置エンジンとして典型的に用いられる大型エンジンである。シリンダは、例えば、25
cmから120cmまでの範囲のボアを有することができ、エンジンは、例えば、300
0kWから120,000kWまでの範囲の出力を有することができる。エンジン速度は
、典型的には、40rpmから250rpmまでの範囲にある。本発明による圧縮点火内
燃エンジンは、典型的には、一次燃料として重油燃料を用いることができる。
イナ2を備えた複数のシリンダを有する。排気弁ハウジング5はシリンダカバー6に取り
付けられており、排気管7は、個々のシリンダから、複数またはすべてのシリンダに共通
の排気だめ8へと延びている。排気だめでは、排気管から排出される排気パルスによって
引き起こされる圧力変動が、より一様な圧力に均一化され、1つまたは複数のターボチャ
ージャ9は、排気だめ8からの排気を受け、排気だめと同様に、長尺の圧力容器である掃
気受け10を備える掃気システムに圧縮された空気を送る。
ロッドは、クロスヘッドおよび連結ロッド(図示せず)を介してクランクシャフト上のク
ランクピンと連結されている。燃料噴射器は、燃料を燃焼室に噴射する。噴射された燃料
が燃料オイルであるとき、その燃料オイルは、ピストン上方の空気が高温であるため、自
動点火する。ピストンが、上向きの圧縮ストロークの間に入口空気を圧縮したため、高温
となっている。
るのが好ましく、以下においては、本発明をこのような例によって説明するが、当然なが
ら、本発明は一元燃料システムとして実施されてもよい。本例のエンジンは、オイルとガ
スとの噴射を電子制御する電子制御エンジンであり、燃料噴射と燃焼との最適化を確実に
行う。さらに、これは、燃料ガスの燃焼を点火するためのパイロット燃料オイル噴射を伴
う高圧ガス噴射原理に基づいて行われる。この原理があることで、ディーゼル燃焼過程を
十分に利用することができ、それによって燃料オイル燃焼の場合と同じ高い熱効率を得る
ことができる。図2には、シリンダ部3が、単一のシリンダ11で示されているが、エン
ジンは、4個から16個のシリンダなど、複数のシリンダを有する。図2に概略的に示さ
れるように、内燃エンジン1は、シリンダ11の燃焼室に提供されるべき燃料オイルと燃
料ガスとを、燃料オイル噴射システム20と燃料ガス噴射システム30とにそれぞれ提供
する燃料オイル供給システム23と燃料ガス供給システム19とを備えている。この例に
おいて、燃料オイル噴射システム20と燃料ガス噴射システム30とは、シリンダ11の
燃焼室への燃料オイルと燃料ガスとの噴射をそれぞれ制御する。燃料噴射システム20、
30の一般的な原理は、各シリンダ11が、シリンダカバー6の燃料噴射器13、14に
連結された燃料ポンプや弁などの1つまたは複数の燃料注入デバイス15、16を制御す
るシリンダ制御部12と関連付けられていることである。シリンダあたりの噴射器13、
14の数は、シリンダ11の出力に依存する。好ましい実施形態では、各シリンダは、少
なくとも燃料オイル噴射器13と燃料ガス噴射器14とを備える。より小型のエンジンで
は、燃料のタイプごとに1つの噴射器で、1回の燃焼過程に必要な燃料の量を噴射するに
は十分な場合があるが、より大型の、より出力の大きいエンジンでは、燃料のタイプごと
に2つまたは3つの噴射器が必要となる可能性がある。いくつかの噴射器がシリンダ11
ごとに設けられているときは、噴射器13当たりに1つの燃料注入デバイス15、噴射器
14当たりに1つの燃料注入デバイス16があってもよい。燃料噴射システム20、30
のシリンダ制御部12は、船舶の艦橋と通信するエンジン制御部17によって制御される
。
)タンク18に連結されていることが好ましい。LNG輸送船のLNGタンクは、低温に
保たれているが、海水と大気とからの外部の熱がタンクの断熱材を通って伝達されるため
、不可避的に熱せられる。外部の熱が侵入することで、LNGの一部が気化、つまり、ボ
イルオフし、タンクの圧力は徐々に高くなる。タンクの圧力を許容可能なレベルに保つた
めに、再液化システム(図示せず)が、ボイルオフガスを再液化するために使用されても
よい。代わりに、または、再液化システムと組み合わせて、ボイルオフガス圧縮機は、燃
料ガス噴射システム30にそのように命令されたときに、高圧のボイルオフガスを提供す
ることができる。シリンダでは、シリンダ制御部12によって制御された燃料注入デバイ
ス16は、燃料ガス噴射器14のタイミングと開きとをもたらす。燃料ガスは、好ましく
は、コモンレール設計の二重壁ガス供給配管26によって燃料ガス噴射システムに提供さ
れる。コモンレール設計では、燃料ガス噴射器14の弁は、補助制御オイルシステムによ
って制御される。この補助制御オイルシステムは、原則として、油圧制御オイルシステム
および電子ガス噴射弁から成り、高圧の制御されたオイルをガス噴射器14に供給し、そ
れによってガス噴射器14のガス弁のタイミングと開きとを制御する。効率的なガス噴射
は、ガスの送出圧力が、エンジンの負荷に依存して、150barと400barとの間
にあり、燃料ガスが30℃から60℃の間、好ましくは約45℃であるときに得られる。
バッファタンク22は、燃料ガス供給システム19によって燃料ガス噴射システム30に
提供される前にボイルオフガスを貯蔵するために使用される。LNG輸送船のLNGタン
ク内の不可避的なボイルオフガスの量は、通常、LNG輸送船の内燃エンジンの運転に対
する唯一の燃料としては不十分であるが、本発明によれば、このボイルオフガスの量を、
内燃エンジンの燃料オイルと組み合わせて有利に使用することができる。燃料ガス噴射シ
ステム30の運転は、ガス組成、ならびにガス組成における変化に対して鈍感である。し
たがって、プロパンやブタンなどの、より高級な炭化水素から通常成る液化石油ガス(L
PG)も、燃料オイルと同じ定格を維持しつつ、速度、熱効率、および出力の観点におい
てエンジンの性能を変えることなく、LNGのように、燃料ガスとして適用することがで
きる。
く、その場合、燃料オイル供給システム23は、2barから15barまでの範囲など
、供給管24において比較的低い供給圧力で燃料オイルタンク21から燃料注入デバイス
に燃料オイルを送出することだけが必要である。あるいは、燃料オイル注入デバイス15
は、弁、すなわち、計量デバイスに連結された弁であってもよく、その場合、燃料供給管
は、500barから1500barまでの範囲の供給圧力など、燃料が噴射圧力より高
い圧力となっている高圧管である。このような燃料オイル供給システム23は、コモンレ
ールシステムと呼ばれる。いずれの場合でも、燃料オイル注入デバイス15は、通常のエ
ンジンの運転中に開位置に維持される弁を備えた分岐管によって燃料供給管24に連結さ
れている。燃料オイル注入デバイス15は、高圧燃料オイル管を介して燃料オイル噴射器
13に連結されている。再帰管は、燃料オイル噴射器から燃料オイル戻り配管(図示せず
)に通じている。シリンダへと提供される燃料オイルは、典型的には、重油または船舶用
ディーゼルオイルである。
エンジンに、燃料ガス供給システム19と燃料ガス噴射システム30とを設置することで
提供されてもよい。噴射制御は、それぞれシリンダ11の燃焼室内へと提供される燃料オ
イルと燃料ガスとの量を制御する、1つのシリンダ制御部または独立したシリンダ制御部
12a、12bのいずれかであってもよい。同様に、燃料オイル噴射システム20および
燃料ガス噴射システム30は、1つのエンジン制御部17によって、または独立したエン
ジン制御部17a、17bにおいて別々に、のいずれかで制御され得る。本発明による内
燃エンジンを運転するときには、燃料噴射のエンジン調整は、燃料オイル噴射システム2
0または燃料ガス噴射システム30のいずれかによって行われる。概して、エンジン制御
部17は、センサ装置40からエンジン速度信号と他のエンジン運転パラメータとを受信
し、シリンダ11の燃焼室に提供されるべき燃料の量および速さを制御し、このことは、
エンジンの調速機制御としても知られている。本発明による内燃エンジンは、燃料オイル
運転モードと、燃料ガス運転モードと、燃料オイル/燃料ガス複合運転モードとで運転す
ることができる。運転モードは、例えば、ガス漏れといった、エンジンが燃料オイル運転
モードに自動で素早く切り替えられる場合における安全上の理由を除いて、船の艦橋から
命令されてでもよい。
との間で自動的に交互に切り替わることで実施されてもよい。燃料オイル運転モードと燃
料ガス運転モードとの間での切り替えは、燃料オイル噴射システム20と燃料ガス噴射シ
ステム30とに接続されたエンジンモード選択機能部25によって命令されてもよく、好
ましくは、エンジン切り替えの機能部は燃料ガス供給システム19の一部であり、したが
って、切り替えは、燃料ガス噴射システム30専用のエンジン制御部17bによって制御
される。燃料オイル/燃料ガス複合運転モードでは、エンジンモード選択機能部25は、
内燃エンジンにおける燃焼が、燃料オイル噴射システム20または燃料ガス噴射システム
30によって開始されるかを、すなわち、エンジンモード選択機能部25は、燃料オイル
噴射システム20または燃料ガス噴射システム30を使用してエンジン制御部17の調速
機制御機能を切り替えるかを判断する。
燃料ガスの増加した熱量値は、燃料ガス噴射圧力の減少をもたらす。同様に、基準ガスに
対して燃料ガスの温度がより低くなると、燃料ガスのエネルギー密度を増加させ、燃料ガ
ス供給システム19から命令された燃料ガス噴射圧力は、エンジン制御部17bによって
低下させられる一方で、基準ガスに対して燃料ガスの温度がより高くなると、燃料ガスの
エネルギー密度を低下させ、燃料ガス供給システム19から命令された燃料ガス噴射圧力
は、エンジン制御部17bによって上昇させられる。
[1]
燃料ガス供給システムと、
シリンダであって、前記シリンダの燃焼室に直に燃料ガスを噴射するための燃料ガス噴
射器が設けられたシリンダと、
所与のエンジン負荷で所望のエンジン速度を得るために、適用される燃料指数に応じて
前記燃焼室に噴射される燃料ガスの量を制御する少なくとも1つのエンジン制御部と、
を備え、
前記燃料指数が、1回の噴射当たりに前記シリンダ内へと噴射される燃料ガスの量を規
定し、噴射される前記燃料ガスの量は、燃料ガス噴射期間の継続時間を調整することで制
御される、2サイクルクロスヘッドディーゼルエンジンなどの内燃エンジンであって、
所与のエンジン負荷で所望のエンジン速度を得るために、測定されたエンジン負荷から
決定される基準燃料指数と、前記少なくとも1つのエンジン制御部によって決定された適
用される燃料指数との比較に基づいて、運転中に前記エンジン負荷を測定するためのセン
サ装置が設けられ、前記少なくとも1つのエンジン制御部が、前記適用される燃料指数が
前記基準燃料指数に対応するように、前記燃料ガスのエネルギー密度の変化に応じて、前
記燃焼室への燃料ガスの噴射圧力を制御することを特徴とする内燃エンジン。
[2]
前記少なくとも1つのエンジン制御部が、前記燃料ガスの熱量値および/または温度の
変化に応じて、前記燃焼室への前記燃料ガスの噴射圧力を制御することを特徴とする、[
1]に記載の内燃エンジン。
[3]
前記測定されたエンジン負荷が、燃焼サイクルの間の燃焼圧力と軸の回転速度との、セ
ンサ装置による測定から決定されることを特徴とする、[1]または[2]に記載の内燃
エンジン。
[4]
前記測定されたエンジン負荷が、軸トルクと軸回転速度との、センサ装置による測定か
ら決定されることを特徴とする、[1]または[2]に記載の内燃エンジン。
[5]
前記燃料ガス噴射圧力が、最適な燃料消費および燃焼ガス排出を得るために、噴射タイ
ミングと、クランクシャフトの位置に応じて排気弁を開閉するタイミングとの調整と組み
合わせて調整されることを特徴とする、[1]から[4]に記載の内燃エンジン。
[6]
前記シリンダには、前記シリンダの前記燃焼室に直に燃料オイルを噴射する燃料オイル
噴射器と、燃料オイル供給システムとが設けられることを特徴とする、[1]から[5]
のいずれかに記載の内燃エンジン。
[7]
前記燃料ガス供給システムが、コモンレール燃料ガス供給システムであることを特徴と
する、[1]から[6]のいずれかに記載の内燃エンジン。
[8]
前記シリンダに提供される前記燃料ガスの温度が、10〜70℃の範囲にあることを特
徴とする、[1]から[7]のいずれかに記載の内燃エンジン。
[9]
100%のエンジン負荷において、エンジン速度が45rpmから250rpmまでの
範囲にあることを特徴とする、[1]から[8]のいずれかに記載の内燃エンジン。
[10]
燃料ガスを前記シリンダに提供するガス供給システムが、液化天然ガス輸送船の液化天
然ガスタンクに連結されていることを特徴とする、[1]から[9]のいずれかに記載の
内燃エンジン。
Claims (9)
- 燃料オイル運転モード、燃料ガス運転モード、および燃料オイル及び燃料ガス複合運転モードを有し、
海上で運行される液化天然ガス輸送船の液化天然ガスタンクに連結された燃料ガス供給システムと、
燃料オイル供給システムと、
シリンダであって、前記シリンダの燃焼室に直に燃料ガスを噴射するための燃料ガス噴射器、および前記シリンダの燃焼室に燃料オイルを噴射するための燃料オイル噴射器が設けられたシリンダと、
所与のエンジン負荷で所望のエンジン速度を得るために適用される適用燃料指数に従って前記燃焼室に噴射される燃料ガスの量を制御する少なくとも1つのエンジン制御部と、
を備え、
適用燃料指数は、燃料ガスの噴射圧力と燃料ガスの噴射時間で規定される、2サイクルクロスヘッドディーゼルエンジンであって、
運転中の前記エンジン負荷を測定するためのセンサ装置を備えるとともに、
測定されたエンジン負荷から決定される燃料ガスの噴射圧力と燃料ガスの噴射時間で規定される基準燃料指数と、所与のエンジン負荷で所望のエンジン速度を得るために前記少なくとも1つのエンジン制御部によって決定された前記適用燃料指数とを比較することに基づいて、前記基準燃料指数と前記適用燃料指数とが異なるときには、前記少なくとも1つのエンジン制御部が、燃料ガスの噴射圧力および燃料ガスの噴射時間を調節することによって、燃料ガスの熱量値の変化に応じて、前記燃焼室への燃料ガスの噴射圧力と燃料ガスの噴射時間を制御し、このようにして、単位時間当たりに噴射されるエネルギーの量が燃料ガスの熱容量及び/又は燃料ガスの温度が変化しても一定となり、前記適用燃料指数が前記基準燃料指数と対応して、前記燃料ガスの熱量値の経時的な変化および/または燃料ガスの温度の変化を補償する、ことを特徴とする2サイクルクロスヘッドディーゼルエンジン。
- 前記少なくとも1つのエンジン制御部が、前記燃料ガスの熱量値および/または温度の変化に応じて、前記燃焼室への前記燃料ガスの噴射圧力を制御することを特徴とする、請求項1に記載の2サイクルクロスヘッドディーゼルエンジン。
- 前記測定されたエンジン負荷が、燃焼サイクルの間の燃焼圧力と軸の回転速度との、センサ装置による測定から決定されることを特徴とする、請求項1または2に記載の2サイクルクロスヘッドディーゼルエンジン。
- 前記測定されたエンジン負荷が、軸トルクと軸回転速度との、センサ装置による測定から決定されることを特徴とする、請求項1または2に記載の2サイクルクロスヘッドディーゼルエンジン。
- 前記燃料ガスの噴射圧力が、最適な燃料消費および燃焼ガス排出を得るために、噴射タイミングと、クランクシャフトの位置に応じて排気弁を開閉するタイミングとの調整と組み合わせて調整されることを特徴とする、請求項1から4のいずれか一項に記載の2サイクルクロスヘッドディーゼルエンジン。
- 前記シリンダには、前記シリンダの前記燃焼室に直に燃料オイルを噴射する燃料オイル噴射器が設けられることを特徴とする、請求項1から5のいずれか一項に記載の2サイクルクロスヘッドディーゼルエンジン。
- 前記燃料ガス供給システムが、コモンレール燃料ガス供給システムであることを特徴とする、請求項1から6のいずれか一項に記載の2サイクルクロスヘッドディーゼルエンジン。
- 前記シリンダに提供される前記燃料ガスの温度が、10〜70℃の範囲にあることを特徴とする、請求項1から7のいずれか一項に記載の2サイクルクロスヘッドディーゼルエンジン。
- 100%のエンジン負荷において、エンジン速度が45rpmから250rpmまでの範囲にあることを特徴とする、請求項1から8のいずれか一項に記載の2サイクルクロスヘッドディーゼルエンジン。
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