JP6435553B2 - ハイブリッドガスエンジン船 - Google Patents

Description

本発明は、船舶に対して４ストローク型ガスエンジンを用いるための技術に関し、特に負荷変動の大きな船舶に４ストローク型のガスエンジンを適用するのに好適な技術に関する。

近年、ＣＯ２やＳＯｘの削減を目的として、ガス燃料船の開発が進められている。ガス燃料船で使用されるガスエンジンは、ディーゼル燃焼方式のものと、予混合燃焼方式のものが知られている。ディーゼル燃焼方式のガスエンジンは、負荷変動に強く特許文献１に開示されているように、プロペラ直結が可能であるが、燃料供給装置が複雑で高価であり、脱硝装置も必要になるといった問題がある。

一方、予混合燃焼方式のガスエンジンは、上記のような問題は無いが、負荷変動に弱くプロペラ直結構造は難しい。このため、その適用方法としては、特許文献２に開示されているように、ガスエンジンにより発電を行い、発電によって得られた電力で推進用のモータを動かすという電気推進船への適用が実用的とされている。

また、特許文献３には、主推進エンジンと発電用エンジンといった２つのエンジンを備えるガスエンジン船が開示されている。特許文献３に開示されているガスエンジン船では、高出力時には主推進エンジンにより推力を得るようにし、低出力時には発電用エンジンにより得られた電力を用いたモータにより推力を得るようにし、負荷変動への適用を図っている。

特開２０１４−１１８８５８号公報 特開２００８−１２６８３０号公報 特開２０１３−５０８２１６号公報

ガスエンジンを発電用に用い、推力はモータによって得るようにする方式は、確かに実用的であると言える。しかし、このような適用方法を採用した場合であっても、負荷変動に対する対策は必要であると共に、燃焼から動力へと直接変換される場合に比べ、燃焼から電力、電力から動力と変換されるエネルギーには、ロスが多く、エネルギー効率が悪いといった問題がある。

また、主推力用のガスエンジンと、発電用のエンジンとを別に備える方式では、設備費用が高騰することはもちろん、燃料消費量も増大することが懸念される。

そこで本発明では、搭載するエンジンを予混合燃焼方式のガスエンジン１台とし、これをプロペラ直結で使用することのできるハイブリッドガスエンジン船を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係るハイブリッドガスエンジン船は、予混合燃焼型のガスエンジンと、前記ガスエンジンのクランク軸からの動力が伝達されるプロペラと、前記ガスエンジンのクランク軸に対して回転軸が機械的に接続されたモータと、負荷変動に起因した前記クランク軸の回転数の低下を検知し、前記モータを駆動させて前記クランク軸の回転をアシストする制御手段と、前記モータに接続されて前記クランク軸の回転に伴う前記モータの回動により生ずる回生電力を蓄える蓄電手段と、前記ガスエンジンに対する過給手段と、を備え、前記過給手段は、前記蓄電手段からの電気エネルギーを利用して過給するコンプレッサと、前記ガスエンジンの排ガスのエネルギーを利用して過給するターボチャージャを有し、前記制御手段は、前記クランク軸の回転数の低下及び／または負荷トルクの増加を検知した際、前記コンプレッサを介した電気エネルギーによる過給を行い前記ガスエンジンの安定燃焼を図ることを特徴とする。

クランク軸の回転に伴う前記モータの回動により生ずる回生電力を蓄える蓄電手段を接続することにより、モータを駆動させることによる出力のアシストと、回生時の生成電力の蓄電をバランス良く行うことが可能となる。

ガスエンジンに対する過給手段を備え、過給手段は、蓄電手段からの電気エネルギーを利用して過給するコンプレッサと、ガスエンジンの排ガスのエネルギーを利用して過給するターボチャージャを有し、制御手段は、クランク軸の回転数の低下及び／または負荷トルクの増加を検知した際、コンプレッサを介した電気エネルギーによる過給を行い前記ガスエンジンの安定燃焼を図ることによれば、ガスエンジンの出力が一次的に低下した場合であっても、安定燃焼を図ることが可能となる。また、最適燃焼点での運転も可能となる。
さらに、上記のような特徴を有するハイブリッドガスエンジン船は、前記モータに回生抵抗を備えた送電経路を接続すると共に、前記蓄電手段への送電経路と前記回生抵抗への送電経路の切り替えを可能に構成することもできる。

上記のような特徴を有するハイブリッドガスエンジン船によれば、搭載するエンジンを予混合燃焼方式のガスエンジン１台とし、これをプロペラ直結で使用することが可能となる。

実施形態に係るハイブリッドガスエンジン船の推進システムの構成を示すブロック図である。 実施形態に係る推進システムにより正常な運転が成されている場合のガスエンジン出力、モータ出力、および推進負荷の変動を示すグラフである。 実施形態に係る推進システムにおいて、蓄電手段に異常が生じた場合の運転時におけるガスエンジン出力、モータ出力、および推進負荷の変動を示すグラフである。

以下、本発明のハイブリッドガスエンジン船に係る実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。まず、図１を参照して、本実施形態に係るガスエンジン船の推進システムの概略構成について説明する。

本実施形態に係るハイブリッドガスエンジン船（以下、単にガスエンジン船と称す）の船体には、少なくとも、ガスエンジン１０と、モータ１２、蓄電手段１４、過給手段１６、制御手段２２、およびプロペラ２４が備えられている。

ガスエンジン１０は、４ストローク型の予混合燃焼型ガスエンジンである。４ストローク型のガスエンジン１０により、希薄混合気による燃焼（リーンバーン燃焼）を行うことにより、熱効率の向上と、サーマルＮＯｘの増加を抑制することができる。

モータ１２は、ガスエンジン１０の出力に対する推進負荷分の推力を補い（アシスト）、あるいは削減（レデュース）する役割を担う要素である。モータ１２は、その回転軸をガスエンジン１０のクランク軸に対して、直接、あるいは間接的に接続されている。このため、モータ１２に電力が供給されている状態では、クランク軸の回転を補助することとなり、出力をアシストする。一方、モータに電力が供給されていない状態では、クランク軸の回転を妨げることとなり、出力をレデュースすることとなる。

このため、モータ１２には、蓄電手段１４が接続されており、駆動時にはモータ１２に電力を供給し、回生時には、モータ１２により生成された電力を蓄電することを可能な構成としている。

過給手段１６は、ガスエンジン１０の排気経路に設けられる。過給手段１６は、電気エネルギーを使って過給するコンプレッサ２０と、排ガスのエネルギーを利用して過給するターボチャージャ１８とから成る。なお、図示しないが、排気経路には、過給手段１６の手前に、排気ガスマニホールド（不図示）を設け、排気ガス圧力の脈動を抑えるようにすると良い（静圧過給方式）。このような過給手段１６では、排気ガスのエネルギーによりターボチャージャ１８のタービンを回転させて過給を行うが、ガスエンジン１０の回転数が低下して排ガスエネルギーが足りなくなった時は、蓄電手段１４から供給される電気エネルギーにより過給を行うことが可能となる。

過給手段１６（電気エネルギーと排ガスエネルギーを併用）を付帯させて、ガスエンジン１０内に圧縮空気を導入することにより、高圧縮化が可能となり、負荷変動によるクランクシャフトの回転数が低下した場合であっても、安定燃焼可能となる領域を広げることができる。また、ＮＯｘの低減を図ることもできる。

制御手段２２は、ガスエンジン１０の駆動制御の他、モータ１２の駆動制御、過給手段１６の駆動制御、および蓄電手段１４の充放電制御などを行う役割を担う。

また、プロペラ２４は、プロペラシャフト２６を介してガスエンジン１０のクランク軸に連結されている。このため、推進負荷の変動によりプロペラ２４の回転数が変動すると、ガスエンジン１０のクランクシャフトの回転数も変化することとなる。
上記のような構成のガスエンジン船では、負荷変動を検出した場合に、モータ１２の駆動状態を変化させて負荷変動に伴う出力変化を相殺する。

具体的には、例えば制御手段２２は、定常推進力が１８００ｋｗとなるように、ガスエンジン１０を運転する制御信号を出力している。このような状況に対して、±３００ｋｗの負荷変動が生じるとした場合、モータ１２としては、３００ｋｗの出力を有する必要がある。

負荷変動は、制御手段２２がプロペラ２４、プロペラシャフト２６、ガスエンジン１０のクランクシャフト、あるいはモータ１２の回転軸のいずれかの回転数や、負荷トルクの変化を検出することにより検知する。具体的には、制御手段２２は、いずれかの回転軸の回転数が低下した場合、あるいは負荷トルクが増加した場合には、負荷変動がプラス側、すなわち増大したと判定し、対応するための制御信号を出力する。一方、制御手段２２は、いずれかの回転軸の回転数が向上した場合、あるいは負荷トルクが低減した場合には、負荷変動がマイナス側、すなわち減少したと判定する。

そして、制御手段２２は、負荷変動がプラス側に生じ、推進負荷がガスエンジン１０の出力（定常推進力）よりも大きくなった場合には、蓄電手段１４からモータ１２へ所定の電力を供給し、負荷変動分の出力を補うアシストを行うように信号を出力する。

一方、負荷変動がマイナス側に生じ、推進負荷がガスエンジン１０の出力（定常推進力）よりも小さくなった場合には、モータ１２への給電を停止し、モータ１２がガスエンジン１０のクランク軸の回転を妨げるように、回生ブレーキとして機能させる信号を出力する。モータ１２を回生ブレーキとして働かせた場合には、モータ１２にて電力が生成される。モータ１２にて生成された電力は、電気的に接続されている蓄電手段１４へと供給されて、蓄電される。

このような制御をフィードバックで繰り返すことにより、図２に示すように、モータ１２の出力は、負荷変動の昇降に伴って昇降することとなる。これにより、蓄電手段１４は、充放電が繰り返されることとなり、モータ１２を運転するためのバランスがとれる。

また、制御手段２２は、回転軸の回転数の低下や負荷トルクの増加を検出した場合には、過給手段１６に対する蓄電手段１４からの電気エネルギーの供給を促し、コンプレッサ２０を制御する信号を出力する。このような制御を行うことで、ガスエンジン１０の出力が一次的に低下した場合であっても、安定燃焼を図ることが可能となる。

このような運転を行うことが可能なガスエンジン船によれば、ガスエンジン１０の負荷変動が殆ど無いため、エンジン音が静かである。また、ガスエンジン１０は、負荷変動に殆ど対応しなくても良いため、最高効率点での運転が可能となる。さらに、本実施形態のように、過給手段１６による圧縮空気の導入を行うようにすることで、最適燃焼点での運転も可能となる。

また、船は、港湾では低速運転を強いられることとなり、低速運転が不可能な場合は、タグボートでの牽引が成される。上記のような構成のガスエンジン船は、低回転（＝低速）での運転も安定して行うことが可能となる。

具体的には、エンジンの回転数を下げる場合、エンジンに供給する燃料量を少なくすることとなる。しかし、シリンダ容積により、安定して燃焼させることのできる最低限の燃料供給量があり、一般的にはこの最低量を下回る燃料量での低速運転はできないこととなる。これに対し、上記構成のガスエンジン船では、モータ１２によりクランクシャフトに掛かる負荷を調整することで、安定燃焼させることのできる燃料量を供給しつつ、回転数を低下させることができ、低速運転を実現させることが可能となる。

また、上記のような構成のガスエンジン船は、蓄電手段１４に不具合が生じた場合には、ガスエンジン１０の出力を負荷変動分を考慮した値に設定し、モータ１２による回生ブレーキにより、負荷変動分の出力を吸収して運転すると良い。この場合、蓄電分のエネルギーを発散するために、回生抵抗を設けておくと良い。蓄電手段１４に不具合が生じた場合には、モータ１２に接続された送電経路を蓄電手段１４から回生抵抗に切り替え、モータ１２により生成された電力を放熱すれば良い。

ここで、±３００ｋｗ分の出力を回生側だけで補完するためには、図３に示すように、モータの許容出力を６００ｋｗとする必要がある。しかし、これはガスエンジン船が定常推進出力を維持する場合の例である。このため、蓄電手段１４に不具合が生じるという緊急事態を考慮して、ガスエンジン船の推進速度を低下させた場合には、負荷変動量を抑制することができ、３００ｋｗの出力のモータであっても対応することが可能となると考えられる。

１０………ガスエンジン、１２………モータ、１４………蓄電手段、１６………過給手段、１８………ターボチャージャ、２０………コンプレッサ、２２………制御手段、２４………プロペラ、２６………プロペラシャフト。

Claims (2)

1. 予混合燃焼型のガスエンジンと、
   前記ガスエンジンのクランク軸からの動力が伝達されるプロペラと、
   前記ガスエンジンのクランク軸に対して回転軸が機械的に接続されたモータと、
   負荷変動に起因した前記クランク軸の回転数の低下を検知し、前記モータを駆動させて前記クランク軸の回転をアシストする制御手段と、
   前記モータに接続されて前記クランク軸の回転に伴う前記モータの回動により生ずる回生電力を蓄える蓄電手段と、
   前記ガスエンジンに対する過給手段と、を備え、
   前記過給手段は、前記蓄電手段からの電気エネルギーを利用して過給するコンプレッサと、前記ガスエンジンの排ガスのエネルギーを利用して過給するターボチャージャを有し、
   前記制御手段は、前記クランク軸の回転数の低下及び／または負荷トルクの増加を検知した際、前記コンプレッサを介した電気エネルギーによる過給を行い前記ガスエンジンの安定燃焼を図ることを特徴とするハイブリッドガスエンジン船。
2. 前記モータに回生抵抗を備えた送電経路を接続すると共に、
   前記蓄電手段への送電経路と前記回生抵抗への送電経路の切り替えを可能に構成したことを特徴とする請求項１に記載のハイブリッドガスエンジン船。

Images