JP6482596B2 - 大型２ストローク圧縮点火高圧ガス噴射内燃エンジンのための燃料供給システム - Google Patents

Description

本開示は大型低速２ストローク・ユニフロー圧縮点火内燃エンジンのための燃料供給システムに関し、特に、エンジンの内燃室に高圧ガスを高圧で噴射して供給する、大型低速２ストローク圧縮点火内燃エンジンのための燃料供給システムに関する。

通常、大型２ストローク・ユニフロー・ターボチャージャ付き圧縮点火内燃クロスヘッド・エンジンは、大型船の推進システム又は発電所の原動機として使用される。その圧倒的なサイズ、重量、及び出力は、一般的な内燃エンジンとは全く異なり、大型２ストローク・ターボチャージャ付き圧縮点火内燃エンジンは独自のものとして分類される。

大型２ストローク圧縮点火内燃エンジンは従来、例えば燃料油すなわち重油等の液体燃料によって動作する。しかし、環境面への関心の高まりによって、ガス、メタノール、石炭スラリー、石油コークス等の代替燃料の使用に向けた開発が成されてきた。需要が増加しつつある燃料の１つのグループとして、液化ガス、特に液化天然ガス（ＬＮＧ）が挙げられる。天然ガスは、液化プラントにおいて極低温（cryogenic temperature）で液体状に変換される。ＬＮＧは特別に設計された極低温船舶（ＬＮＧ船）によって長距離にわたって目的地まで運搬される。

ＬＮＧ船には１つ又は複数のＬＮＧ貯蔵タンクが設けられる。ＬＮＧ貯蔵タンクはＬＮＧを−１６２℃（−２６０°Ｆ）の超低温で貯蔵する能力を有する。一般にＬＮＧ貯蔵タンクは二重のコンテナを有し、内側にＬＮＧを入れて外側コンテナは断熱材を包含する。最も一般的なタンクのタイプは、フル・コンテインメント・タンクである。用途によってタンクのサイズは大幅に変わる。実質的に断熱ではあるが、熱は外部からＬＮＧ貯蔵タンク内のＬＮＧに継続的に伝わり、ＬＮＧ貯蔵タンク内でＬＮＧの気化を引き起こす。このＬＮＧの蒸気がＬＮＧ貯蔵タンクから解放されなければ、ＬＮＧ貯蔵タンク内部の圧力と温度が上昇し続けるが、これは容認できることではなく危険である。ＬＮＧは寒剤であり、超低温下で液体状に保たれる。気化ガスを貯蔵タンクから逃がすことによって圧力を一定に保てば、タンク内の温度は一定に維持されるであろう。この処理は自動冷蔵として知られている。したがって、ＬＮＧ船によるＬＮＧの運搬の間にＬＮＧは継続的に気化して、ＬＮＧ貯蔵タンク内にボイルオフ・ガスが発生する。

ＬＮＧ貯蔵タンク内で発生したボイルオフ・ガスは、船舶推進エンジンのために使用されるか、又はガス燃焼器で燃焼される。

高圧ガス噴射エンジン、例えば大型２ストローク圧縮点火内燃エンジンがＬＮＧ船の船舶推進エンジンとして使用される場合、高圧の液化天然ガスをＬＮＧ貯蔵タンクから高圧気化器へ圧送するために、高圧極低温ポンプが使用される。通常、極低温ポンプは２つ以上のポンプ・シリンダを有し、その中にポンプ・ピストンが摺動可能に配置される。クランクシャフトを使用してポンプ・ピストンを駆動する、極低温ポンプが知られている。このクランクシャフトは、ベルト伝導を介する電気駆動モータによって駆動される。

高圧極低温ポンプによって気化器に送達されたＬＮＧの圧力は、電気駆動モータの動作及び制御バルブの使用によって調整される。しかし、この知られている制御システムは比較的遅く、特に大型２ストローク・ディーゼル・エンジンからの燃料需要の比較的急な変化を伴う非定常的な動作を制御することは困難である。

ＬＮＧは常温常圧において気体燃料であり、この適用の状況では、摂氏２０度（℃）、１気圧（ａｔｍ）である。一般にＬＮＧは、沸点又は沸点に近い約−１６０℃で、真空断熱された容器に貯蔵される。通常、極低温とは−１５０℃未満の任意の温度である。

特許文献１では、回転型液圧モータによって駆動される往復ピストン式極低温ポンプを備える、燃料ガス供給装置が開示されている。回転型液圧モータの慣性と組み合わされるクランクシャフト及びピストンのような、往復ピストン式極低温ポンプの構成要素の慣性によって、極低温ポンプ・アセンブリに大きい合成慣性をもたらす。その結果、回転型液圧モータへの供給圧力の変化は、往復ピストン極低温ポンプの出口における圧力の変化に即座に伝わらないであろう。なぜなら、移動質量に蓄えられたエネルギーはポンプの出口でエネルギーに変換される際に時間を要するからである。したがって、往復ピストン極低温ポンプによって送達された圧力の動的制御は、この遅延によって妨げられ、そのため、送達された圧力が動的に適合される必要のある状況では不正確となろう。

したがって、高圧ガスを大型２ストローク圧縮点火内燃エンジンに供給するための、改善された燃料供給システムを提供することが必要となる。

ＥＰ２８３２９７２

本発明の目的は、上述した問題を克服又は少なくとも軽減する燃料供給システムを提供することである。

上述及び他の目的は、独立請求項の特徴によって達成される。さらなる実装形式は、従属請求項、明細書、及び図面によって明白となる。

第１の態様によると、高圧ガスを大型２ストローク圧縮点火内燃エンジンに供給する燃料供給システムが提供される。このエンジンには供給された高圧ガスをエンジンの燃焼室に噴射するための燃料噴射システムが設けられる。燃料供給システムは、液化ガスを液化ガス貯蔵タンクから高圧ポンプまで移送するために、液化ガス貯蔵タンクの出口を高圧ポンプの入口に接続するフィード管と、高圧液化ガスを高圧ポンプから高圧気化器に移送するために、高圧ポンプの出口を高圧気化器の入口に接続する移送管と、高圧の気化ガスをエンジンの燃料噴射システムに移送するために、高圧気化器の出口をエンジンの燃料噴射システムの入口に接続する供給管とを備える。高圧ポンプは２つ以上の個別に動作するポンプ・ユニットを含み、各ポンプ・ユニットは、ポンプ・シリンダに摺動可能に配置されたポンプ・ピストン、及び駆動シリンダに摺動可能に配置された液圧駆動ピストンを備え、駆動ピストンはポンプ・ピストンを駆動するためにポンプ・ピストンに結合されている。

ポンプ・ピストンの各々がリニア液圧アクチュエータによって作動される高圧ポンプを有する燃料供給システムを提供することにより、気化器に送達された高圧液化ガスの圧力は、リニア・アクチュエータに供給される作動液の圧力を制御することによって正確に制御され得る。これが可能であるのは、他のタイプの駆動に比べて液圧リニア・アクチュエータを基礎とする駆動システムには実質的に慣性がないためであり、液圧リニア・アクチュエータを基礎とする駆動システムは、液圧リニア・アクチュエータに送達された作動液の圧力変化に直ちに応答する。したがって、リニア・アクチュエータに送達された作動液の圧力変化は気化器に供給された液化ガスの圧力に直ちに反映する。液圧供給圧力を制御することは、比較的容易で簡単である。したがって、ガスの圧力は、大幅に迅速な応答時間及びより少ない超過で制御され得る。

第１の態様の第１の可能な実施形態によると、燃料供給システムは、１つ又は複数のポンプ・ユニットの駆動シリンダへの作動液の流れ及び駆動シリンダからの作動液の流れを制御するために、高圧作動液の供給源及びタンクに接続された少なくとも１つの液圧制御バルブを更に備え、高圧作動液の供給源は、好ましくは可変で制御可能な圧力レベルの供給源である。

第１の態様の第２の可能な実施形態によると、駆動シリンダは駆動室及び戻し室を備える。

第１の態様の第３の可能な実施形態によると、駆動室は液圧制御バルブに接続され、戻し室は、高圧作動液の供給源の圧力よりも低い圧力である作動液の供給源に好ましくは常時接続される。

第１の態様の第４の可能な実施形態によると、駆動シリンダに、関係する駆動シリンダ中の駆動ピストンの位置を感知するための位置センサが設けられる。

第１の態様の第５の可能な実施形態によると、燃料供給システムは、位置センサからの信号を受け取る電子制御ユニットを更に備え、少なくとも１つの液圧制御バルブは電子制御ユニットに結合された電子制御バルブである。

第１の態様の第６の可能な実施形態によると、電子制御ユニットは、ポンプ・ユニットの駆動室を高圧作動液の供給源又はタンクに選択的に接続するよう構成される。

第１の態様の第７の可能な実施形態によると、電子制御ユニットは、駆動ピストンのポンプ・ストロークを、別の駆動ピストンのポンプ・ストロークが終点に近づき、終わるポンプ・ストロークと始まるポンプ・ストロークとの間に小さいオーバーラップがあるときに開始するよう構成される。したがって、大きい圧力変動もなく、ＬＮＧの気化器への実質的に安定した流れが実現できる。

第１の態様の第８の可能な実施形態によると、電子制御ユニットは、高圧ポンプから高圧気化器への高圧液化ガスの実質的に一定な流れを得るために、ポンプ・ストロークが終わる際の動力及びポンプ・ストロークが始まる際の動力を計算に入れるよう構成される。

第１の態様の第９の可能な実施形態によると、電子制御ユニットは、駆動シリンダ／ユニットの内の１つのポンプ・ストロークをいつ開始すべきかを決定するよう、及び駆動シリンダの内の任意のポンプ・ストロークをいつ終了すべきかを決定するよう、構成される。したがって、ポンプ・ストロークが始まる地点、及び特に、どこでポンプ・ストロークが終わるかが正確に制御され得る。

第１の態様の第１０の可能な実施形態によると、電子制御ユニットは、それぞれの駆動シリンダを実質的に連続して、好ましくは小さいオーバーラップで作動させるよう構成される。

第１の態様の第１１の可能な実施形態によると、電子制御ユニットは、ポンプ・ユニットの１つが故障した場合、残りの機能しているポンプ・ユニットの駆動ピストンを動作させるよう構成される。したがって、冗長性が得られ、ポンプ・ユニットの１つが故障してもポンプ作用を続けることができる。

第１の態様の第１２の可能な実施形態によると、電子制御ユニットは、残りの機能しているポンプ・ユニットの駆動シリンダが実質的に連続して、好ましくは小さいオーバーラップで作動されるよう、残りの機能しているポンプ・ユニットの駆動ピストンを動作させるよう構成される。

第１の態様の第１３の可能な実施形態によると、電子制御ユニットは、高圧ポンプから高圧気化器までの液化ガスの流れの大きさに関連して、駆動室が高圧作動液の供給源から切り離される駆動ピストンの位置を調整するよう構成される。したがって、ポンプ・ピストン及び駆動ピストンのスピード及び生じた慣性に関わらず、ポンプ・ストロークが逆転する位置を同じ位置に保つことができる。

第１の態様の第１４の可能な実施形態によると、電子制御ユニットは、高圧ポンプから高圧気化器までの液化ガスの流れが増加するとき、関係する駆動ピストンの駆動室が高圧液の供給源から切り離される駆動ピストンの位置を駆動ストロークの方向と反対方向に調整するよう構成される。

第１の態様の第１５の可能な実施形態によると、電子制御ユニットは、高圧ポンプから高圧気化器までの液化ガスの流れが減少するとき、関係する駆動ピストンの駆動室が高圧液の供給源から切り離される駆動ピストンの位置を駆動ストロークの方向に調整するよう構成される。

第１の態様の第１６の可能な実施形態によると、電子制御ユニットは、ポンプ・シリンダの摩耗を軽減するためにポンプ・ピストンのストローク領域にわたってポンプ・ピストンが逆転する位置を分散させるために、アルゴリズム、計画、又は無作為によって、関係する駆動ピストンの駆動室が高圧液の供給源から切り離される駆動ピストンの位置を調整するよう構成される。

第１の態様の第１７の可能な実施形態によると、電子制御ユニットは、駆動室に供給された作動液の圧力を制御することによって、移送管内の液化ガスの圧力を制御するよう構成される。したがって、移送管内の液化ガスの圧力の効果的かつ即座に反応する制御が実現される。

第１の態様の第１８の可能な実施形態によると、電子制御ユニットは、駆動室に供給される作動液の圧力を制御するためのフィードフォワード機能において、移送管内の液化ガスの所望の圧力を使用するよう構成される。液圧を介する液化ガスの圧力のフィードフォワード制御を使用することによって、液化ガスの圧力の更に迅速で安定した制御が実現できる。

第１の態様の第１９の可能な実施形態によると、電子制御ユニットは、駆動室に供給される作動液の圧力を制御するためのフィードバック機能において、移送管内の液化ガスの測定された圧力を使用するよう構成される。したがって、非直線性及び一時的変動を制御システムによって適応させることができる。

第１の態様の第２０の可能な実施形態によると、電子制御ユニットは、駆動室へ供給される作動液の圧力を制御することとは独立に、それぞれの駆動ピストンの作動及び作動停止を制御するよう構成される。したがって、駆動ピストンの作動のための制御方法は、圧力制御とは独立に電子制御ユニットによって最適化され得る。

第１の態様の第２１の可能な実施形態によると、電子制御ユニットは、駆動ピストンの作動及び作動停止を制御するために、駆動ピストンの位置を表す信号を使用するよう構成される。

第２の態様によると、第１の態様及びその任意の可能な実施形態による高圧ガス噴射システム、及び燃料供給システムを有する、大型２ストローク・ターボチャージャ付き圧縮点火内燃エンジンが提供される。

第３の態様によると、第２の態様によるエンジンを備える、ＬＮＧ船又は液化ガス・タンクを有する貨物船が提供される。

第４の態様によると、高圧ガスをエンジンに噴射するために、高圧の気化ガスを内燃エンジンに供給するための方法が提供される。この方法は、
液化ガスを液化ガス貯蔵タンクに貯蔵することと、
高圧ポンプを用いて液化ガスを高圧気化器に圧送することと、
高圧気化器内の高圧液化ガスを気化することと、
気化した高圧ガスをエンジンに供給することと、を備え、
高圧ポンプは２つ以上の個別に動作するポンプ・ユニットを備え、各ポンプ・ユニットはポンプ・シリンダに摺動可能に配置されたポンプ・ピストン、及びポンプ・ピストンを駆動するためにポンプ・ピストンに結合された液圧駆動ピストンを備え、方法は更に、
個別に駆動ピストンを駆動するために、高圧の作動液を駆動シリンダに個々に供給することと、
駆動シリンダに供給される作動液の圧力を個々に制御することによって、高圧ポンプを離れる液化ガスの圧力を制御することと、を備える。

第４の態様の第１の可能な実施形態によると、方法は、駆動ストロークのために駆動ピストンの１つを作動させることと、その後リターン・ストロークのためにその１つの駆動ピストンを作動停止させることと、を更に備える。

第４の態様の第２の可能な実施形態によると、ポンプ・ピストン及び駆動ピストンは互いに接続されて同時に動く。

第４の態様の第３の可能な実施形態によると、方法は、駆動ピストンのポンプ・ストロークを、別の駆動ピストンのポンプ・ストロークが終点に近づき、終わるポンプ・ストロークと始まるポンプ・ストロークとの間に小さいオーバーラップがあるときに開始することを更に備える。

第４の態様の第４の可能な実施形態によると、方法は、高圧ポンプから高圧気化器への高圧液化ガスの実質的に一定な流れを得るために、ポンプ・ストロークが終わる際の動力及びポンプ・ストロークが始まる際の動力を計算に入れることを更に備える。

第４の態様の第５の可能な実施形態によると、方法は、それぞれの駆動シリンダを実質的に連続して、好ましくは小さいオーバーラップで作動させることを更に備える。

本発明のこれら及び他の態様は、以下に説明する実施形態から明白になろう。

本開示の以下の詳細部分において、本発明は図面に示す例示的な実施形態を参照して、更に詳細に説明される。

例示的な実施形態による、大型２ストローク・ディーゼル・エンジンの立正面図 高圧天然ガスをＬＮＧ貯蔵タンクから図１の大型２ストローク・ディーゼル・エンジンに供給する燃料供給システムを表す図 図２の燃料噴射システムの高圧ポンプの立面図 図３の高圧ポンプを表す図 図３の高圧ポンプのポンプ・ユニットの詳細断面図 図３の高圧ポンプの動作を例示するグラフ 図３の高圧ポンプの動作を例示するグラフ 図３の高圧ポンプの動作を例示するグラフ 図３の高圧ポンプを制御するための制御システムを表す図 様々なスピードにおける図３の高圧ポンプのピストンの動きを例示するグラフ 様々なスピードにおける図３の高圧ポンプのピストンの動きを例示するグラフ

以下の詳細な説明では、クロスヘッドを有する大型２ストローク低速ターボチャージャ付き圧縮点火内燃エンジンのための燃料供給システムが例示的な実施形態を参照して説明されるが、この内燃エンジンは、ターボチャージャ付き又はターボチャージャ無し、排気ガス再循環若しくは選択的接触還元付き又は排気ガス再循環若しくは選択的接触還元無しの、２ストロークのオットー、４ストロークのオットー又はディーゼル等の別のタイプでもあり得る。

図１に、回転輪及びクロスヘッドを有する大型低速ターボチャージャ付き２ストローク・ディーゼル・エンジンを示す。この例示的な実施形態では、エンジンは直列６気筒である。大型低速ターボチャージャ付き２ストローク・ディーゼル・エンジンは通常、直列の４個から１４個のシリンダを有し、エンジン・フレーム６に支えられたシリンダ・フレームに支えられる。このエンジンは、例えば、船舶の主エンジン又は発電所の発電機を動作させる定置エンジンとして使用され得る。このエンジンの総出力は、例えば、１，０００〜１１０，０００ｋＷの範囲であり得る。

この例示的な実施形態では、エンジンは、シリンダ１の下部領域に掃気口、及びシリンダ・ライナー１の上部に中央排気バルブ４を有する、２ストローク・ユニフロー・タイプの圧縮点火エンジンである。掃気は、掃気レシーバ２から個々のシリンダ１の掃気口へ送られる。シリンダ・ライナー１のピストンは掃気を圧縮し、高圧のガス燃料はシリンダ・カバー内の燃料バルブを通して噴射され、燃焼が起こり、排気ガスが発生する。

排気バルブ４が開くと、排気ガスはシリンダ１に関連付けられた排気ダクトを通して排気ガス・レシーバ３に流れ、ターボチャージャ５のタービンに進み、そこから排気ガスは排気管を通して大気へ流出する。ターボチャージャ５のタービンは、空気入口を介して外気を供給されたコンプレッサを駆動する。コンプレッサは、圧縮した掃気を掃気レシーバ２に導く掃気管へ送達する。掃気管内の掃気はインタークーラー７を通過して、冷却される。

図２は、エンジンの燃料供給システムの簡略図である。燃料供給システムは、例えばＬＮＧ船、又は例えば液化ガス・タンクを有するコンテナ船のような液化ガス・タンクを有する貨物船等の船舶に設置することができる。

燃料供給システムは、天然ガスが極低温状態で貯蔵されるＬＮＧ貯蔵タンク８を備える。例えばポイラー又は船舶の予備エンジンのような低圧ガス噴射エンジンに使用するために、タンクからボイルオフ・ガスを逃がすことができるので、ＬＮＧ貯蔵タンク８内の圧力は比較的低くかつ一定に保たれる。ボイルオフのプロセスはまた、貯蔵タンク内のＬＮＧを低温に保つ。貯蔵タンク８内の液化ガスは、例えばエタン又はメタン等の、天然ガスとは別のタイプでもよい。

フィード管９は、ＬＮＧ貯蔵タンク８の出口を高圧ポンプ４０の入口に接続する。低圧フィード・ポンプ１０は、液化ガスがＬＮＧ貯蔵タンク８から高圧ポンプ４０の入口まで移送するのを補助する。或いは、ＬＮＧ貯蔵タンク８を加圧して低圧供給ポンプ１０を省くことができる。移送管５０は、高圧液化ガスを前記高圧ポンプ４０から高圧気化器１４へ移送するために、高圧ポンプ４０の出口を前記高圧気化器１４の入口に接続する。高圧ポンプ４０は、液化ガスを、前記移送管５０を介して高圧気化器１４に圧送する。高圧気化器１４は高圧液化ガスを受け取り、高圧気化器１４の熱交換器を使用してガスを気化する。高圧気化器１４は、例えば循環回路１５を通して循環するグリコール等の熱交換媒体と、液化ガスとの間で熱を交換する。循環回路１５は循環ポンプ１６及びヒータ１７を含む。高圧の気化ガスは、供給管１８に接続された高圧気化器１４の出口を介して高圧気化器１４を離れる。

供給管１８は、高圧気化器１４の出口をエンジンの燃料噴射システムの入口に接続して、高圧の気化ガスをエンジンの燃料噴射システムへ移送できるようにする。バルブ装置１９は、燃料供給システムと大型２ストローク・ディーゼル・エンジンとの間の接続を制御する。

高圧ポンプ４０には、２つ以上のポンプ・ユニット４１、４２、４３（本実施形態では３つのポンプ・ユニットが示される）が設けられる。各ポンプ・ユニット４１、４２、４３は、ポンプ・シリンダ６１に摺動可能に配置されたポンプ・ピストン６２と、前記ポンプ・ピストン６２を駆動するためにポンプ・ピストン６２に結合された駆動ピストン４６を有する駆動シリンダ４５に摺動可能に配置された液圧駆動ピストン４６とを含む。

ポンプ・ピストン６２及びポンプ・シリンダ６１は、極低温容積式ポンプを形成する。ポンプ・ピストン６２及びポンプ・シリンダ６１は、ポンプ室６３を有するポンプ・ユニットのいわゆるコールド・エンドを形成する。コールド・エンドは、液化ガス循環供給管１１及び液化ガス循環戻し管１２を含む循環回路によって、低温に保たれる。循環する液化ガスは、ポンプ・ユニット４１、４２、４３のコールド・エンドを冷却する役割を担う。

ポンプ・シリンダ６１は、関係したポンプ・ユニット４１、４２、４３の駆動ピストンにピストン・ロッド４９を介して接続される。駆動ピストン４６は、駆動シリンダ４５の内部を駆動室４８と戻し室４７とに分割する。

駆動シリンダ４５は、高圧作動液の供給源２０、例えば高圧作動液供給管２３を介したポンプ又はポンプ・ステーションに接続される。示された実施形態において、高圧作動液の供給源２０は、高圧ポンプ２２を駆動する電動駆動モータ２１を含む。高圧ポンプ２２は、例えば容積式ポンプ、好ましくは可変容量形容積式ポンプとすることができる。１つの実施形態において、冗長性目的のため、高圧作動液の供給源は、それぞれがその電気駆動モータ２１によって駆動する２つの高圧液圧ポンプ２２を含む。

図３は、フレーム３５によって支持された、それぞれポンプ・シリンダ６１を有する３つのポンプ・ユニット４１、４２、４３と、駆動シリンダ４５と、制御バルブ２４とを有する高圧ポンプ４０を、高圧ポンプ４０の高い圧力を均一化し、かつ戻し室の低い圧力を均一化するためのアキュムレータ５３とともに示す立面図である。ポンプ・ユニット４１、４２、４３は、フレーム３５上にコンパクトに配置され、フレーム３５上の構成要素はスパークが発生しない構成要素でＡＴＥＸに承認された電気構成要素のみを有し、そのため、ユニットはＡＴＥＸ環境に対して問題なく設置できる。

図４は、高圧ポンプ４０を、そのポンプ・ユニット４１、４２、４３とともに表す図である。各ポンプ・ユニット４１、４２、４３は、作動液戻しライン２６を介してタンクに接続され、かつ、作動液供給管２３を介してそれぞれのポンプ・ユニット４１、４２、及び４３に接続する可変容量形容積式ポンプ２２を含む高圧作動液の供給源に接続される。各ポンプ・ユニット４１、４２、及び４３は、移送管５０に接続される。

各ポンプ・ユニット４１、４２、４３は、それぞれの駆動室４８を制御管２５を介して高圧作動液の供給源又はタンクに選択的に接続するよう構成された液圧制御バルブ２４を備える。

各ポンプ・ユニット４１、４２、４３は、駆動ピストン４６が中に摺動可能に配置された駆動シリンダ４５によって形成されるリニア液圧アクチュエータの形式の駆動ユニット４４を備える。したがって、ポンプ・ユニットは互いに機械的に独立している。戻し室４７は液圧供給源に常時接続される。液圧供給源は液圧ポンプ３０、例えば可変容量形容積式ポンプを、戻し室供給ライン３１を介して含み、戻し室供給ライン３１は好ましくは流量制限３３を含み、戻し室４７へ加圧された作動液を安定して供給することを確かにするためのアキュムレータ３２に結合される。或いは、圧力低減バルブを介して高圧液圧システムから低圧供給源が得られる。１つの実施形態において、戻し室に供給される作動液の圧力は、駆動室４８に供給される作動液の圧力よりも大幅に小さい。或いは、戻し室４７に面した駆動ピストン４６の側面の有効圧力面は、駆動室４８に面した駆動ピストンの有効圧力面よりも大幅に小さくなるよう配置され得る。後者の場合、戻し室４７内の作動液の圧力は駆動室に供給される作動液の圧力と実質的に等しくすることができる。

各ポンプ・ユニット４１、４２、４３は、ポンプ室６３を形成するためポンプ・ピストン６２をそこに受けるポンプ・シリンダ６１によって形成されるリニア容積式ポンプの形式のポンプ６０を備える。ポンプ室６３は、圧力室６３への流れだけを可能にする第１の一方向弁５１を介して、フィード管９に接続される。ポンプ室６３は、圧力室６３からの流れだけを可能にする第２の一方向弁５２を介して、移送管５０に接続される。

図５は、高圧ポンプ４０のポンプ・ユニット４１、４２、４３の詳細断面図である。ポンプ・ユニット４１、４２、４３は、駆動ピストン４６が中に配置されたシリンダ４５を含む液圧リニア・アクチュエータ４４を備える。駆動ピストン４６はピストン・シャフト４７に、好ましくは一体として接続される。ピストン・ロッド４９及び駆動ピストン４６には、位置センサ５６のロッド５７を受ける穴５８が設けられる。位置センサ５６の信号は電子制御ユニット７０へ送られる。駆動ピストン４６は、駆動シリンダ４５の内部を駆動室４８と戻し室４７とに分割する。図５において、駆動ピストン４６が駆動ストロークの終点に達しているために戻し室は確認できない。駆動室４８は穴２５を介して液圧制御バルブ２４に接続される。戻し室４７は穴３１を介して液圧の供給源に常時接続される。

リニア液圧アクチュエータ４４のピストン・ロッド４９は、極低温ポンプ６０のピストン・ロッド６２に接続される。ピストン・ロッド４９とピストン・ロッド６２との間の接続は、コネクタ・ピース５４によってピストン・ロッド４９とピストン・ロッド６２とが一体で動くように確立される。駆動シリンダ４５は、ボルト接続部５５によってポンプ・シリンダ６１に接続される。極低温ポンプ６０にはポンプ室６３を移送管５０に接続する出口が設けられる。

図９は高圧ポンプ４０の動作を制御するための電子制御ユニット７０の形式の制御システムを表す図である。

電子制御ユニット７０はガス圧設定点７１を受け取る。ガス圧設定点７１は加算地点７２に送られる。第１の加算地点７２において測定されたガス圧は差し引かれ、設定点と測定されたガス圧との間の差がフィードバック制御ループの一部であるＰＩコントローラ７４に送られる。

ガス圧設定点はフィードフォワード・ピストン比率ゲイン・ユニット７８に送られる。フィードフォワード・ピストン比率ゲイン・ユニット７８からの信号は、第２の加算地点７６においてＰＩコントローラ７４からの信号と比較される。

第１の加算地点７２に送られた測定されたガス圧は、エンジンのパイプ・ボリューム８５内、すなわちバルブ装置１９の下流のガス圧の測定値に基づく。バルブ装置１９は二輪ブロックで、供給管１８から気化ガスの流れを受け取るブリード・バルブ装置である。測定されたガス圧はフィルター８６でフィルターにかけられる。

第２の加算地点７６における比較の結果は、高圧作動液の供給源２０に送られる。その信号に基づき、高圧作動液の供給源２０は修正した圧力を有する作動液を高圧ポンプ・ユニット４０へ送達する。

電子制御ユニット７０は、駆動ピストンの位置を表す信号を受け取り、ピストン監理ユニット９２においてこの位置信号を処理する。ピストン監理ユニット９２はピストン作動方法ユニット９０に結合される。ピストン監理ユニット９２及びピストン作動方法ユニット９０の動作の詳細は、以下で更に詳細に示され説明される。ピストン作動方法ユニット９０の信号は、駆動ピストン４６を作動させるために高圧ポンプ４０の制御バルブ２４に送られる。

駆動ピストン４６が作動することにより、液化された高圧ガスを、高圧気化器１４を通して供給管１８へ圧送する。

電子制御ユニット７０の主圧力制御はフィードフォワードである。ＰＩ（比例積分）コントローラは、非直線性を補償し、一時的変動に対して補助を行う。

ガス圧は、液圧送りの圧力をポンプ・ユニット４１、４２、４３に設定することによって自動制御される。圧力制御は液圧側で行われ、ガス側で行う必要はない。液圧が適切に制御される場合、このシステムではガス圧が高くなりすぎることは起こり得ない。

駆動ピストン４６は、圧力制御のアクティブパーツではない制御方法を介して制御される。

各ポンプ・ユニット４１、４２、４３は個別に制御可能である。したがって、異なるピストン方法及び種々の動作条件で稼働させることが可能である。更に、２ストロークの間で３つのポンプ・ユニット４１、４２、４３から２つのポンプ・ユニットに変えることが可能なため、ポンプ・ユニット４１、４２、４３を個別に稼働させる可能性は冗長性を提供する。

戻るスピードは前進する（ポンプ）スピードより速くなり得るので、２つのポンプ・ユニットだけを稼働するときにオーバーラップすることが可能になる。ポンプ・ユニット４１、４２、４３の間のオーバーラップは、圧力スパイクを減少させるための必要性に従って調整され得る。

シリンダの固定位置で高い摩耗が起こることと対照的に、ポンプ・シリンダ６１の領域にわたって摩耗を分散するために、ポンプ・ストロークの最終位置は経時的に変化し得る。

システムにより、たとえ突然のシャットダウン時（ピストン停止）でも過度の圧力はほとんど又は全く発生しない。これは非常に低い慣性及び動的応答に否定的に影響する他の要因のためである。

制御バルブ２４は液圧制御バルブ又は電子制御バルブであり得る。制御バルブ２４は液圧制御バルブである本実施形態において、電子制御されたソレノイド・バルブ（図示せず）が設けられ、制御バルブ２４への液圧制御信号を制御する。電子制御されたソレノイド・バルブは電子制御ユニット７０から電子制御信号を受け取る。

電子制御ユニット７０、詳細にはピストン作動方法ユニット９０は、ポンプ・ユニット４１、４２、４３の駆動室４８を高圧作動液の供給源２０又はタンクに選択的に接続するよう構成される。

電子制御ユニット７０、詳細にはピストン作動方法ユニット９０は、駆動ピストン４７のポンプ・ストロークを、別の駆動ピストン４７のポンプ・ストロークが終点に近づき、終わるポンプ・ストロークと始まるポンプ・ストロークとの間に小さいオーバーラップがあるときに開始するよう構成される。１つの実施形態において、電子制御ユニット７０は、それぞれの駆動シリンダを実質的に連続して、好ましくは小さいオーバーラップで作動させるよう構成される。したがって、図６及び図７の例示のように、大きい圧力変動もなく、ＬＮＧの高圧気化器１４への実質的に安定した流れが実現できる。

図６、図７、及び図８は、高圧ポンプ４０の通常動作を例示する。薄い連続線はポンプ・ユニット４１を表し、濃い連続線はポンプ・ユニット４２を表し、点線はポンプ・ユニット４３を表す。図６は、駆動ピストン４６／ポンプ・ピストン６２の動きを示すグラフである。グラフからわかるように、次のポンプ・ユニットのポンプ・ストロークは、現在作動しているポンプ・ユニットのポンプ・ストロークが終わる直前に始まる。図７は、３つのポンプ・ユニット４１、４２、４３の移送管５０からの圧力出力から構成されて得られた圧力を示す。得られた圧力は実質的に一定で、変動がない。

図８は、ポンプ・ユニットのスピードの特徴を示す。ここでは戻りストロークのスピードがポンプ・ストロークのスピードより著しく速いことが明確に見られ、そのため、３つ以上のポンプ・ユニットの内２つだけを使用しても、ポンプ・ユニット間のオーバーラップを可能にする。

１つの実施形態において、電子制御ユニット７０、詳細にはピストン作動方法ユニット９０は、高圧ポンプから高圧気化器１４への高圧液化ガスの実質的に一定な流れを得るために、ポンプ・ストロークが終わる際の動力及びポンプ・ストロークが始まる際の動力を計算に入れるよう構成される。

１つの実施形態において、電子制御ユニット７０、詳細にはピストン作動方法ユニット９０は、ポンプ・ユニット４１、４２、４３の内の１つのポンプ・ストロークをいつ開始すべきかを決定するよう、及び駆動ユニット４１、４２、４３の内の任意のポンプ・ストロークをいつ終えるべきかを決定するよう構成される。したがって、ポンプ・ストロークを開始する地点、詳細にはポンプ・ストロークを終える地点は、ピストン作動方法ユニット９０によって、好ましくはピストン監理ユニット９２とともに正確に制御され得る。

１つの実施形態において、電子制御ユニット７０は、ポンプ・ユニット４１、４２、４３の内の１つが故障した場合、ポンプ・ユニット４１、４２、４３の内の機能する残りの駆動ピストンが動作するよう構成される。したがって、冗長性が得られ、ポンプ・ユニット４１、４２、４３の内の１つが故障してもポンプ作用を続けることができる。

１つの実施形態において、電子制御ユニット７０は、高圧ポンプ４０から高圧気化器までの液化ガスの流れの大きさに関連して、駆動室４８が高圧作動液の供給源から切り離される駆動ピストン４６の位置を調整するよう構成される。したがって、駆動ピストン４６及びポンプ・ピストン６２のスピード及び生じた慣性に関わらず、ポンプ・ストロークが逆転する位置を制御することができる。

１つの実施形態によると、高圧ポンプから高圧気化器への液化ガスの流れが増加する場合、電子制御ユニット７０は、関係する駆動ピストン４６の駆動室４８が高圧液の供給源２０から切り離される位置で、駆動ピストンの位置を駆動ストロークと反対の方向に調整するよう構成される。また、高圧ポンプから高圧気化器への液化ガスの流れが減少する場合、電子制御ユニット７０は、関係する駆動ピストン４６の駆動室４８が高圧液の供給源２０から切り離される位置で、駆動ピストン４６の位置を駆動ストロークの方向に調整するよう構成される。これは図１０及び図１１に示されている。

図１０は、駆動ストローク／ポンプ・ストロークの最終位置での駆動ピストン４６及びポンプ・ピストン６２の増加したスピードの効果を示している。薄い連続線はポンプ・ユニット４１を表し、濃い連続線はポンプ・ユニット４２を表し、点線はポンプ・ユニット４３を表す。電子制御ユニット７０は、駆動ピストンが８０ｍｍのストロークに達したとき、高圧ポンプ４０によって送達された液化ガスの流れの荷重／大きさに関係なく、液圧制御バルブ２４に対して駆動室４８をタンクに接続するようシグナリングする。慣性とより速いスピードのため、駆動ピストン４６の停止／逆転位置は、２５％荷重での８５ｍｍから、５０％荷重での８９ｍｍ、１００パーセント荷重での９８ｍｍへと変化する。

図１１は、荷重が大きい場合はより短いストロークで、また荷重が小さいときはより長いストロークで、駆動室４８をタンクに接続することによって駆動ピストン４６／ポンプ・ピストン６２の増加したスピードを補償する電子制御ユニット７０の効果を示すグラフである。グラフに見られるように、電子制御ユニット７０は駆動／ポンプ・ストロークの最終位置を、このように正確にコントロールできる。

グラフの例において、次の駆動シリンダのための２５％荷重（すなわち、高圧ポンプ４０の最大容量の２５％）のために駆動室４８をタンクに接続する信号は、前のシリンダが駆動室に７５ｍｍ入ったときに発せられる。「前の」駆動シリンダの駆動室は、そのシリンダが駆動室に９３ｍｍ入ったときに、タンクに接続される。次の駆動シリンダの高圧の供給源への接続の「信号ＯＮ」及び、「前の」シリンダのタンクへの接続の「信号ＯＦＦ」は以下の表１に示される。

当然、ポンプ・シリンダ６１の摩耗を低減するために開始位置を意図的に変えるよう、電子制御ユニット７０をプログラムすることもまた可能である。

１つの実施形態において、電子制御ユニット７０は、ポンプ・シリンダ６１の摩耗を軽減するためにポンプ・ピストン６２のストローク領域にわたってポンプ・ピストン６２が逆転する位置を分散させるため、アルゴリズム、計画、又は無作為によって、関係する駆動ピストン４６の駆動室４８が高圧液の供給源２０から切り離される駆動ピストン４６の位置を調整するよう構成される。ポンプ・シリンダ６１の摩耗は、ポンプ・ストロークの終点位置が最も激しいことが知られている。ポンプ・ストロークの終点位置を変化させることによって、ポンプ・シリンダ６１の摩耗はより大きい領域にわたって拡散され得るので、ポンプ・シリンダ６１の寿命は大幅に増加され得る。

１つの実施形態において、電子制御ユニット７０は、駆動室４８へ供給される作動液の制御圧力とは独立に、それぞれの駆動ピストン４６の作動及び作動停止を制御するよう構成される。したがって、駆動ピストンの作動のための制御方法は、圧力制御とは関係なく電子制御ユニット７０によって最適化され得る。

本発明について、本明細書の様々な実施形態とともに説明してきた。しかし、請求された発明を実行する当業者は、図面、本開示、及び添付の特許請求の範囲を検討することによって、開示された実施形態の他の変形を理解し、実現することができる。特許請求の範囲において、「備える」という単語は他の要素又はステップを排除せず、複数であり得ることが明記されていない構成が複数であり得ることを排除しない。電子制御ユニットは、個別の電子制御ユニットの組合せによって形成され得る。特定の測定値が互いに異なる従属クレームに列挙されているということだけでは、これら測定されたものの組合せを利点として使用できない、ということを示さない。特許請求の範囲で使用される参照符号を、範囲を制限するものと解釈してはならない。

Claims (22)

1. 高圧ガスを大型２ストローク圧縮点火内燃エンジンに供給するための燃料供給システムであって、前記エンジンには供給された高圧ガスを前記エンジンの燃焼室に噴射するための燃料噴射システムが設けられ、
   前記燃料供給システムは、
   液化ガスを液化ガス貯蔵タンク（８）から高圧ポンプ（４０）へ移送するために、前記液化ガス貯蔵タンク（８）の出口を前記高圧ポンプ（４０）の入口に接続するフィード管（９）と、
   高圧液化ガスを前記高圧ポンプ（４０）から高圧気化器（１４）へ移送するために、前記高圧ポンプ（４０）の出口を前記高圧気化器（１４）の入口に接続する移送管（５０）と、
   高圧の気化ガスを前記エンジンの前記燃料噴射システムへ移送するために、前記高圧気化器（１４）の出口を前記エンジンの前記燃料噴射システムの入口に接続する供給管（１８）と
   を備え、
   前記高圧ポンプ（４０）は２つ以上の個別に動作する極低温ポンプ・ユニット（４１、４２、４３）を備え、各極低温ポンプ・ユニット（４１、４２、４３）は、ポンプ・シリンダ（６１）に摺動可能に配置されたポンプ・ピストン（６２）、及び駆動シリンダ（４５）に摺動可能に配置された液圧駆動ピストン（４６）を備え、前記駆動ピストン（４６）は前記ポンプ・ピストン（６２）を駆動するために前記ポンプ・ピストン（６２）に結合されており、
   各ポンプ・ユニット（４１、４２、４３）は、関係する極低温ポンプ・ユニット（４１、４２、４３）の前記駆動シリンダ（４５）への作動液の流れ及び前記駆動シリンダ（４５）からの作動液の流れを制御するために、高圧作動液の供給源（２０）及びタンクに接続された制御バルブ（２４）を備え、
   前記制御バルブ（２４）は電子制御バルブであり、
   各駆動シリンダ（４５）には、関係する前記駆動シリンダ（４５）中の前記駆動ピストン（４６）の位置を感知するための位置センサ（５６）が設けられたことと、
   前記エンジンは、前記高圧ポンプ（４０）を制御するように構成された電子制御ユニット（７０）をさらに備え、
   前記電子制御ユニット（７０）は、前記２つ以上の個別に動作する極低温ポンプ・ユニット（４１、４２、４３）の各前記位置センサ（５６）から信号を受け取り、
   前記電子制御ユニット（７０）は、前記２つ以上の個別に動作する極低温ポンプ・ユニット（４１、４２、４３）の前記位置センサ（５６）からの信号を使用して前記高圧ポンプ（４０）の動作を制御するように構成されていることを特徴とする燃料供給システム。
2. 前記高圧作動液の供給源（２０）は、可変で制御可能な圧力レベルを有する供給源である、請求項１記載の燃料供給システム。
3. 前記駆動シリンダ（４５）は駆動室（４８）及び戻し室（４７）を備える、請求項１又は２記載の燃料供給システム。
4. 前記駆動室（４８）は前記制御バルブ（２４）に接続された、請求項３記載の燃料供給システム。
5. 前記戻し室は、前記高圧作動液の供給源（２０）の圧力よりも低い圧力である作動液の供給源（３０）に接続された、請求項３又は４記載の燃料供給システム。
6. 前記電子制御ユニット（７０）は、前記極低温ポンプ・ユニット（４１、４２、４３）の前記駆動室（４８）を前記高圧作動液の供給源（２０）又はタンクに選択的に接続するよう構成される、請求項５記載の燃料供給システム。
7. 前記電子制御ユニット（７０）は、駆動ピストン（４６）のポンプ・ストロークを、別の駆動ピストン（４６）のポンプ・ストロークが終点に近づき、終わるポンプ・ストロークと始まるポンプ・ストロークとの間に小さいオーバーラップがあるときに開始するよう構成される、請求項５又は６記載の燃料供給システム。
8. 前記電子制御ユニット（７０）は、前記高圧ポンプ（４０）から前記高圧気化器（１４）への高圧液化ガスの実質的に一定な流れを得るために、ポンプ・ストロークが終わる際の動力及びポンプ・ストロークが始まる際の動力を計算に入れるよう構成される、請求項７記載の燃料供給システム。
9. 前記電子制御ユニット（７０）は、前記高圧ポンプ（４０）から前記高圧気化器（１４）への液化ガスの流れの大きさに関連して、前記駆動室（４８）が前記高圧作動液の供給源（２０）から切り離される前記駆動ピストン（４６）の位置を調整するよう構成される、請求項５〜８の何れかに記載の燃料供給システム。
10. 前記電子制御ユニット（７０）は、前記高圧ポンプ（４０）から前記高圧気化器（１４）への液化ガスの流れが増加するとき、関係する前記駆動ピストンの前記駆動室（４８）が前記高圧液の供給源（２０）から切り離される前記駆動ピストン（４６）の位置を駆動ストロークの方向と反対方向に調整するよう構成される、請求項９記載の燃料供給システム。
11. 前記電子制御ユニット（７０）は、前記高圧ポンプ（４０）から前記高圧気化器（１４）への液化ガスの流れが減少するとき、関係する前記駆動ピストン（４６）の前記駆動室（４８）が前記高圧液の供給源（２０）から切り離される前記駆動ピストン（４６）の位置を駆動ストロークの方向に調整するよう構成される、請求項９又は１０記載の燃料供給システム。
12. 前記電子制御ユニット（７０）は、前記ポンプ・シリンダ（６１）の摩耗を軽減するために前記ポンプ・ピストン（６２）のストローク領域にわたって前記ポンプ・ピストン（６２）が逆転する位置を分散させるために、アルゴリズム、計画、又は無作為によって、関係する前記駆動ピストン（４６）の前記駆動室（４８）が前記高圧液の供給源（２０）から切り離される位置を調整するよう構成される、請求項５〜１１の何れかに記載の燃料供給システム。
13. 前記電子制御ユニット（７０）は、前記駆動室（４８）に供給される作動液の圧力を制御することによって、前記移送管（５０）内の液化ガスの圧力を制御するよう構成される、請求項５〜１２の何れかに記載の燃料供給システム。
14. 電子制御ユニット（７０）は、前記駆動室（４８）に供給される作動液の圧力を制御するためのフィードフォワード機能において、前記移送管（５０）内の液化ガスの所望の圧力を使用するよう構成される、請求項１３記載の燃料供給システム。
15. 前記電子制御ユニット（７０）は、前記駆動室（４８）に供給される作動液の圧力を制御するためのフィードバック機能において、液化ガス又は気化したガスの測定された圧力を使用するよう構成される、請求項１３又は１４記載の燃料供給システム。
16. 前記電子制御ユニット（７０）は、前記駆動室（４８）に供給される作動液の圧力の制御とは独立に、それぞれの前記駆動ピストン（４６）の作動及び作動停止を制御するよう構成される、請求項１３〜１５の何れかに記載の燃料供給システム。
17. 高圧ガス噴射システム、及び請求項１〜１６の何れかに記載の燃料供給システムを有する、大型２ストローク・ターボチャージャ付き圧縮点火内燃エンジン。
18. 請求項１７記載のエンジンを備える、ＬＮＧ船又は液化ガス・タンクを有する貨物船。
19. 高圧ガスを内燃エンジンに噴射するために、高圧の気化ガスを前記エンジンに供給するための方法であって、
    液化ガスを液化ガス貯蔵タンク（８）に貯蔵することと、
    高圧ポンプ（４０）を用いて前記液化ガスを高圧気化器（１４）に圧送することと、
    前記高圧気化器（１４）内の高圧液化ガスを気化することと、
    前記気化した高圧ガスを前記エンジンに供給することと、を備え、
    前記高圧ポンプ（４０）は２つ以上の個別に動作する極低温ポンプ・ユニット（４１、４２、４３）を備え、
    各極低温ポンプ・ユニット（４１、４２、４３）は、ポンプ・シリンダ（６１）に摺動可能に配置されたポンプ・ピストン（６２）、
    駆動シリンダ（４５）に摺動可能に配置され、前記ポンプ・ピストン（６２）を駆動するために、前記ポンプ・ピストン（６２）に連結された液圧駆動の駆動ピストン（４６）、及び
    各極低温ポンプ・ユニット（４１、４２、４３）は、関係する極低温ポンプ・ユニット（４１、４２、４３）の前記駆動シリンダ（４５）への作動液の流れ及び前記駆動シリンダ（４５）からの作動液の流れを制御するために、高圧作動液の供給源（２０）及びタンクに接続された制御バルブ（２４）を備え、
    前記制御バルブ（２４）は電子制御バルブであり、
    前記方法は更に、
    関係する各極低温ポンプ・ユニット（４１、４２、４３）の前記駆動シリンダ（４５）内の各前記駆動ピストン（４６）の位置を感知し、
    感知した前記駆動ピストン（４６）の位置に基づき、前記制御バルブ（２４）を作動させ、
    個別に前記極低温ポンプ・ユニット（４１、４２、４３）の前記駆動ピストン（４６）を駆動するために、高圧の作動液を駆動シリンダ（４５）に個々に供給すること、
    各極低温ポンプユニット（４１、４２、４３）の 前記駆動シリンダ（４５）に供給される作動液の圧力を個々に制御することによって、前記高圧ポンプ（４０）を離れる液化ガスの圧力を制御すること、
    を備える方法。
20. 前記駆動ピストン（４６）のポンプ・ストロークを、別の駆動ピストン（４６）のポンプ・ストロークが終点に近づき、終わるポンプ・ストロークと始まるポンプ・ストロークとの間に小さいオーバーラップがあるときに開始することと
    を備える、請求項１９記載の方法。
21. それぞれの前記駆動シリンダ（４５）を実質的に連続して、小さいオーバーラップで作動させることを備える、請求項１９又は２０記載の方法。
22. 前記高圧ポンプ（４０）から前記高圧気化器（１４）への高圧液化ガスの実質的に一定な流れを得るために、ポンプ・ストロークが終わる際の動力及びポンプ・ストロークが始まる際の動力を計算に入れることを備える、請求項１９、２０又は２１記載の方法。